결정질 실리콘 태양전지 워크샵 2013
- 2017년 태양광 시장, 80GW이상 확대
- 태양전지 효율성 25%의 한계를 도전

고려대학교 태양광연구센터는 지난달 3일 고려대학교 하나스퀘어 대강당에서 ‘결정질 실리콘 태양전지 워크샵 2013’을 개최했다. 이번 워크샵은 국내외 태양전지 전문가 11명의 연사를 초청해, 결정질 실리콘 태양전지의 연구동향과 공정기술, 개발현황 등에 대한 발표를 듣는 시간이었다. 이날 행사에는 150여명의 산·학·연 태양전지 관계자들이 참석해 성황을 이뤘다.
이번 결정질 실리콘 태양전지 워크샵은 강의, 디바이스 그리고 소재·효율·장비의 총 세 세션으로 이뤄졌다. 먼저 강의 세션은 한국에너지기술평가원 태양광 PD 손창식 교수와 도요타 테크의 요시호 호시타 교수, 고려대 김동환 교수의 순으로 진행했다.

태양광시장의 국제적 경쟁력 강화
한국에너지기술평가원 손창식 태양광PD는 ‘태양광산업 전망 및 R&D 전략’을 통해 태양광시장의 현황과 전망을 예측했다. 손창식 교수는 태양광 시장의 주요한 결정질 실리콘(C-Si) 시장의 기술이 성숙되고, 중국 및 APAC 국가들의 생산량이 증가함에 따라 결정질 실리콘의 생산단가가 낮아져 태양광 산업을 주도할 것이라고 말했다. 현재 산업체들은 가격을 낮추고 모듈의 효율을 높이기 위해 LCOE(levelized cost of energy)를 낮게 유지시키고, C-Si에 대한 투자를 지속적으로 하고 있다.
태양광시장은 2012년 가정용 22GW, 발전용 9GW에서 2017년 가정용 48GW, 발전용 37GW로 대폭 상승할 것으로 예상된다. 특히 Sunbelt시장의 성장에 따라 가정용보다 발전용의 성장이 더욱 기대된다. EU에서는 발전용이 정체될 것으로 예상되나 미국·중국·아시아 권에는 큰 성장이 예상되고, 가정용은 향후 5년간 EU가 30~40%성장을, 아태지역은 40~42% 성장을 예측하고 있다.
손창식 교수는 “현재 태양광 산업은 공급과잉으로 생산량이 축소되는 추세고, FIT·RPS 등의 정책적 보조와 가격의 지속적인 안정화로 인한 회복기”라며, “태양광 산업 공급과잉의 주 요인인 중국의 태양광 산업 발전을 주의 깊게 살펴봐야 된다.”고 발표했다.

한국에너지기술평가원 태양광PD 손창식 교수가 ‘태양광산업 전망 및 R&D전략을 발표하고 있다.

중국은 태양광 산업의 글로벌 우위를 점하기 위해 중앙정부의 의도적인 보조금 정책과 불공정 무역 정책을 펼쳤다. 또, 공급과잉으로 태양광 시장 붕괴를 유도, 단기적 재정적 손실을 감수하고, 장기적으로 태양광시장을 독점하려는 전략을 꾀하고 있다. 그러나 아직 중국의 기술력은 태양광 산업 주도국들에 비해서 부족한 점이 많다. 미국의 경우, up-stream에 주력해 차세대 기술을 개발하며, PV 제조 및 테스트 장비, 통합 제조 솔루션, Si ink·금속·수지·백시트 등의 연구와 생산에 박차를 가하고 있다. 그에 비해 중국의 생산은 결정질 실리콘 웨이퍼·전지·모듈 등에 주력하며, 고급 생산장비나 고순도 폴리실리콘·첨단 부품 등은 수입에 의존하고 있다.
국내 태양광산업은 자체 기술을 90% 보유하고, 전체 생산의 70%를 국산화하고 있는 장점이 있다. 또, 신재생에너지의 핵심 사업으로 신재생에너지 산업 고용의 73%, 매출의 80%, 수출의 90%를 차지한다.
2012년 공급과잉으로 잠시 실적이 주춤했으나, 2011년까지는 고용·매출·수출 실적이 지속적으로 성장했다. 또, 2013년 2분기부터 중국에 대한 통상견제, 유럽수요확대, 일본수출 증가 등의 긍정적 요인으로, 공장 가동률을 회복하고 가격안정이 되고 있는 추세이다.
이는 국내 태양광 기업들이 위기 극복을 위해 시장다변화, 원가경쟁력강화, 사업구조 다각화 등을 시도해, ESS·스마트그리드·하이브리드 발전등과의 융합형 시스템을 구축했기 때문이다. 그리고 정부에서 의무공급량 1.5GW 확대 등의 RPS 개선과 주민참여발전소, 대여사업자, 판매사업자 확대, 의무이행 연기 완화 등으로 태양광산업의 발전을 정책적으로 지지하고 있는 긍정적 요인으로 작용했다.
세계적으로 태양광 시장규모는 매년 16%이상 성장이 예측되고, 작년대비 2013년 30%이상의 성장을 예상하고 있다. 손창식 교수는 “기술·시장 주도국의 R&D 비교 우리의 R&D 투자는 초기단계이다.”라며, “향후 예상되는 시장성장에 대응을 위한 시장주도형 R&D 전략이 필요하다.”고 국내 태양광 시장의 전략적인 성장을 요구했다.

결정질 실리콘 태양전지 동향

이번 행사를 주최한 고려대 김동환 교수는 ‘결정질 실리콘 태양전지 기술개발 동향’을 발표했다. 2013년 상반기 개최한 국제학술대회를 바탕으로 태양전지 구조별 기술·웨이퍼링 기술·전극재료 및 공정기술·모듈기술 등으로 분류·분석했다. 김동환 교수가 분석한 국제학술대회는 ‘Silicon PV 2013’, ‘npWorkshop’, ‘Metallization Workshop’의 세 개의 중요한 실리콘·태양광 행사로 총 700여명의 학회원들이 참석했고, 230여건의 논문발표가 있었다.
먼저 김동환 교수는 공정별 발표추이를 통해 2011~2013년까지 Wafering, Emitter, Passivation, Metallization의 네가지 공정별 발표비율을 분석했다. 2013년에는 Emitter에 대한 발표가 가장 많은 비율을 차지했으며, Metallization에 대한 발표가 그 다음으로 나타났다. 이론적으로 가장 중요한 Passivation의 논문 발표는 비교적 적었다고 나온다.(그림1) 가장 많은 발표가 있던 Emitter의 경우에는 이온주입법이 논문의 쟁점이 되었고, Matallization은 생산비 절감을 위한 은대체·감소가 눈에 띄었다.

그림1. 2011~2013 공정별 발표 추이

또, 김동환 교수는 마름모꼴의 실리콘 태양전지 구조·분류를 통해 꼭짓점 최상단의 PERL(Passivated emitter, rear locally-diffused)이 실험실에서 사용되는 최고 효율의 고비용 태양전지기술이고, 최하단의 Screen Printed cell이 효율은 낮지만 상용화에는 좋은 저비용 방식임을 알기 쉽게 설명을 해줬다.(그림2) 김동환 교수는 “꼭짓점 4개를 제외하고는 나머지는 이들의 조합으로 만들어진다.”며, “사각형 밖에 존재하는 새로운 태양전지를 만들 수 있는 연구가 필요하다.”고 참가자들의 연구를 독려했다.
이후, 결정질 실리콘 태양전지의 효율을 업체와 기술별로 효율을 정리해, 현재 업계의 태양전지 효율을 알려줬다. 현재 인라인 프로세스 최고 효율은 19.9%(Mono, p-type, screen-printed process)를 나타내며, 앞으로 양산효율은 20~22%정도가 나올 것이라 예상했다. 그리고 세계적인 연구소와 기업들이 이론적 최고효율인 25%를 달성하기 위한 치열한 경쟁중임을 밝혔다. 또, 웨이퍼별 마켓 셰어 예측에서 앞으로 n-type 단결정이나 p-type 고효율 멀티 실리콘의 점유율이 올라가고, p-type 단결정·멀티실리콘의 점유율은 줄어들 것으로 예측했다. 그리고 전극 재료 및 공정기술 발표동향에서 고효율화와 은 대체·은 소모량 감소관련 논문이 이슈임을 말했다.

그림2. 실리콘 태양전지 구조분류

마지막으로 모듈에서는 PID현상규명과 conductive film을 이용한 interconnection, cell and module 일체화 공정등의 방법이 연구됨을 밝혔다. 아직도 PID의 현상에 대한 통합 이유는 완전히 밝히지 못했지만, Sodium의 영향일 가능성을 매우 높게 추측하고 있다. 그리고 7~10%의 CTM loss를 3%까지 줄이는 연구가 지속되고 있음을 밝혔다.
김동환 교수의 결정질 실리콘 태양전지 동향에 대한 발표를 끝으로 강의 세션이 끝나고 이후 구체적인 분류로 나눠서 발표가 있었다. 두 번째 디바이스 세션에는 고려대학교 허주열 교수가 좌장으로 LG전자 안세원 수석연구원의 ‘Development of high-efficiency hetero-junction back contact solar cells’, 현대중공업 이민규 책임연구원의 ‘효율 21% 산업형 p-type PERL 태양전지 공정기술’, 한화캐미칼 조재억 수석연구원의 ‘EWT(emitter wrap-through) 태양전지 개발현황’, STX solar 백승엽 연구소장의 ‘초고효율 결정질 셀 개발 현황 및 기대효과’ 발표가 있었다.
마지막으로 소재·효율·장비 세션은 고려대 윤석구 교수가 좌장으로 Toyota Tech. Inst. Dr.Tachibana의 ‘Evaluationd of defects generation in crystalline silicon ingot’, 대주전자 이진권 수석연구원의 ‘결정질 실리콘 태양전지용 전극소재 개발’, 원익 IPS 장석필 상무의 ‘원익 IPS 태양광 장비 개발현황’, 한국에너지기술연구원 송희은 선입연구원의 ‘박형 결정질 실리콘 태양전지 효율 향상 연구’ 발표가 있었다.

양대규기자 daegyu_yang@naver.com