전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2024.5 (p67~71)

Emerging Tech; 태양 전지
결정 실리콘형 태양전지의 성능 급성장
얇게 구부릴 수 있는 패널도 잇달아 등장

일본에서 재생가능에너지라고 하면 해상풍력발전이 각광 받고 있지만, 세계적으로는 태양광발전이 더 인기가 있다. 후지경제(富士経済)에 따르면, 2023년의 태양광 패널의 세계 시장은 정격 출력으로 377.8GW, 금액 베이스로 12조 6,060억 엔. 이것이 2040년에는 1,190GW, 22조 3,897억 엔으로 확대된다고 한다. 정격 출력에서는 3.7배이지만 금액 베이스로는 1.9배이기 때문에, 1W당의 패널 단가는 50% 가까이 떨어질 전망이다.

-- 발전 코스트가 최저치로 --
또한 가격 하락이 크게 빨라질 것이라는 예측도 나오고 있다. 조사회사인 미국의 Bloomberg NEF에 따르면, 태양광발전의 발전 코스트는 최근 몇 년간 약 6엔/kWh로, 거의 보합세를 유지하고 있다.

하지만, 2023년에 중국에서 다결정 실리콘 생산량이 43%나 증가, 그 결과, 태양광 모듈의 단가가 거의 반값이 되었다. 향후, 이것이 발전 코스트에도 반영될 경우, 태양광발전은 육상풍력발전을 제치고 가장 발전 코스트가 저렴한 발전원이 될 가능성이 높다.

-- 2년 만에 성능 향상과 수명 연장에 진전--
현재, 태양광발전의 주력인 결정 실리콘형 태양전지에 대해서는 2022년 3월에 제품 및 기술 동향에 대해 소개했다. 그 내용은 주로, 태양광 패널의 대형화와 태양전지 모듈의 대형화, 그 모듈의 크기로 중국 기업이 2개 진영으로 분열된 것 등, 제품 기획상의 움직임과 기업 전략에 대해서였다.

그로부터 2년. 2024년 2월 29일~3월 1일, 도쿄빅사이트에서 개최된 전시회 ‘제18회 국제 태양광발전엑스포(PV EXPO)’에 출품된 제품군을 보면, 태양전지나 태양광 패널로서의 기본 성능이라고도 할 수 있는 변환 효율과 온도 계수가 크게 향상되었다.

또한 경년열화(經年劣化) 정도도 이전보다 작아졌다. 제품 기획상의 움직임과는 달리, 전술한 바와 같이 가격 저하, 그리고 성능 향상 및 수명 연장 등, 이용자에게 있어서 메리트가 커진 것이 눈에 띄었다.

-- 페로브스카이트의 강점을 앞서 --
우선은 일본에서 최근 자주 화제가 되고 있는 페로브스카이트 태양전지와 결정 실리콘형 태양전지와의 관계에 대해 언급해 두자.

페로브스카이트 태양전지는 일본 발 기술로, 개발 벤처도 많이 등장하고 있지만, 해외로 눈을 돌리면 특히 중국 기업들이 눈부신 성과를 올리고 있다. 국내 업체만 다루는 기사의 대부분은 ‘우물 안의 개구리’라고 할 수 있다.

또한, 페로브스카이트 태양전지의 변환 효율은 미세한 셀은 물론, 태양광 패널 제품으로서의 변환 효율도 결정 실리콘형에 미치지 못한다. 페로브스카이트 태양전지는 가볍고, 구부릴 수 있다는 것이 특징 중 하나이지만, 결정 실리콘형도 이전보다 크게 가벼워졌고, 변환 효율을 비슷하게 유지한 채 구부릴 수 있게 되어 있다. 실제로 이번 PV EXPO에서는 가볍고 구부릴 수 있는 결정 실리콘형 태양광 패널이 다수 출품되었다.

일본의 페로브스카이트 태양전지 제조 업체는 향후, 페로브스카이트 태양전지를 개발하는 중국 업체들과의 경쟁 이전에, 가볍고 구부릴 수 있는 결정 실리콘형 태양전지와의 경쟁에 직면하게 될 것이다.

-- 가네카의 세계기록을 경신 --
결정 실리콘형 태양전지는 최근 들어 변환 효율이 크게 향상되고 있다. 2022년까지만 해도 실리콘계 태양전지 셀의 변환 효율의 세계 최고치는 가네카가 2017년에 달성한 26.7%였다. 이 기록은 2022년 11월, 중국의 LONGi Green Energy Technology(隆基綠能科技)가 기록한 26.81%로 경신되었다.

LONGi는 여기서 멈추지 않고, 2023년 12월에 셀 변환 효율에서 27.09%를 달성했다고 발표했다. LONGi의 태양전지는 백 콘택트 방식이지만, 당초에는 포토리소그래피로 표면 패터닝을 했었다. 이 프로세스가 복잡하고 고비용이었기 때문에 레이저 패터닝으로 전환, 변환 효율도 향상되었다고 한다.

하지만, LONGi의 제품에는 아직 이 성과가 반영되지 못했다. 제품의 셀 변환 효율에서 25.5%, 모듈 변환 효율에서 23.2%가 최고치라고 한다.

-- 모듈 변환 효율이 25%대로 --
사실, 실리콘계 태양전지의 모듈 변환 효율에서 LONGi보다 앞선 업체는 적어도 3사 정도 있다. 중국 AIKO(上海愛旭新能源)가 25.15%를 기록. 싱가포르 Maxeon Solar Technologies(2020년에 미국의 SunPower로부터 독립)가 24.7%, 그리고 중국 Anhui Huasun Energy(華晟)가 24.16%를 기록했다.

-- 창업 4년 만에 세계 제 1선에 --
또한, Maxeon은 전신의 SunPower에 있었을 때도 포함하면 1985년에 설립된 노포라고 할 수 있지만, AIKO는 2009년, Huasun은 2020년 7월 설립이다. 즉 Huasun은 설립된 지 불과 4년도 안 되어 중국에서 톱 클래스의 태양전지 업체가 되었다.

이른바 ‘턴키(Turn-key)형’ 제조 장치 등을 구입한다면 기술 축적이 반드시 필요한 것은 아니라고 말할 수 있다. 반대로 말하면, 지금이라도 일본 기업이 태양전지 제조에 재진입해도 늦지 않다고 말할 수 있다. 하지만 2023년 12월에 Maxeon이 AIKO를 특허 침해로 소송. 현재 소송이 진행 중이다.

-- 여름의 발전 출력 저하 폭도 낮아져 --
변환 효율 이외에도 기술적인 진전이 있었다. 온도 계수(또는 온도 특성)이다. 태양전지는 전지의 온도가 올라가면 반도체로서의 특성으로 인해 변환 효율이 떨어진다. 그 저하율이 온도 계수로, 이 값이 최근 크게 작아지고 있다.

지금까지, 이 온도 계수는 많은 결정 실리콘형 제품에서 약 -0.4%/℃였다. 태양광 패널의 정격출력은 25℃를 전제로 하고 있지만, 여름에는 태양광 패널의 표면 온도가 70~80℃가 되기도 한다. 패널의 온도가 예를 들면, 75℃일 경우에는 출력은 -0.4%/℃×(75℃-25℃)=-20%가 된다. 즉 출력이 20% 저하되는 것이다. 변환 효율이 정격 20%일 경우, 75℃에서는 실질적으로 16%가 되는 셈이다.

한편, 이번 PV EXPO에 출품된 중국 업체의 태양광 패널은 대부분 N형이라고 불리는 온도 계수가 작은 태양전지를 채택하고 있다. 각 업체의 태양광 패널의 온도 계수는 중국의 Risen Energy(東方日昇)가 -0.24%/℃, 전술의 AIKO나 Huasun은 -0.26%/℃. -0.24%/℃였다. -0.24%/℃의 경우, 75℃에서도 출력 저하는 10% 남짓에 불과하다.

-- 경년열화율에 주의 --
만약, 태양광 발전의 도입을 고려할 경우, 변환 효율과 온도 계수 외에 또 한 가지 확인해두어야 할 지표가 있다. 경년열화율이다. 물론 이 값은 태양전지 검사기관에서도 정확히 잴 수 없다. 제조업체가 발표하는 경년열화율은 출력 보증값이라고도 말할 수 있으며, 이것을 밑돌 경우 어떠한 보상이 있을 것이라는 값이다.

이 경년열화율은 제조사에 따라 크게 다르다.　이번 PV EXPO에 참가한 기업에서는 Risen이 약 0.33%/년, 중국 Trina Solar(天合光能)가 0.4%/년, 중국 PHONO Solar(中國機械工業集團)가 약 0.77%/년으로 각각 다르다.

Risen의 경우, 30년 후에는 당초 상태에서 최대 출력이 10% 저하된다. 한편, 전술한 Maxeon은 경년열화율이 0.2%/년으로 매우 낮아, 30년 경과해도 최대 출력은 6%밖에 저하되지 않게 된다.

-- 샤프는 우주용에서 존재감 --
이번 PV EXPO에는 샤프도 참가했다. 샤프도 N형 태양전지를 도입해 태양전지의 성능을 높였지만, 현시점의 결정 실리콘형 태양광 패널의 모듈 변환 효율은 20.2%. 온도 계수는 이전보다 개선되었지만 -0.3%/℃였다. 시장 경쟁은 물론, 기술상으로도 중국에 뒤처지고 있다.

한편, 샤프는 올 1월에 월면에 착륙한 소형 달착륙실증기 ‘SLIM’에 탑재된 박막 화합물 태양전지도 선보였다. 변환 효율은 우주에서 32%, 지상에서는 36%로, 이 분야에서는 아직 세계를 선도하는 위치에 있다.

샤프는 이 화합물 태양전지의 제조 코스트를 큰 폭으로 낮추는 기술을 개발 중이다. 조기에 성공할 경우, 기사회생의 대역전이 될 수 있어 시간과의 싸움이기도 하다. 시간이 너무 많이 걸리게 되면 변환 효율이 30% 이상인 결정 실리콘형과 페로브스카이트 태양전지의 탠덤식 태양전지 등의 대두로 화합물 태양전지의 존재 이유가 희미해지기 때문이다.

 -- 끝 --

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