[한국에너지기술평가원 명승엽 PD] #1. EU PVSEC 2023, 건식 공정기술 적용한 ‘효율 30%’ 이상의 탠덤 태양전지 발표

1977년 시작돼 올해로 40번째를 맞이한 유럽 태양광학술대회 EU PVSEC이 2023년 9월 18일부터 22일까지 닷새간 포르투갈 수도 리스본에서 개최됐다. 학술대회와 전시회에 유럽을 비롯한 63개국에서 1,850명이 참가했다. 특히, 학술대회에서는 태양전지, 모듈, 시스템, 시장, 정책 등 다양한 주제에 대해서 1,050건 이상의 발표를 통한 글로벌 전문가들의 열띤 토론이 있었다.

우리나라는 2024년 국제 탠덤 태양전지 워크숍과 2026년 제9회 세계 태양광총회(WCPEC-9)를 대전에서 개최할 예정이다. 이에 유럽에서 열정적으로 개발하고 있는 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양전지 관련 대표적인 발표내용을 소개하고자 한다.

유럽에서는 독일과 스위스 대학과 연구소들이 탠덤 태양전지 연구를 주도하고 있는데, 대면적 상용화를 고려해 결정질 실리콘 태양전지의 요철 위에 균일한 두께로 페로브스카이트 태양전지를 증착할 수 있는 건식 공정이 핵심 공정으로 부상하고 있는 분위기였다. 다음은 연구기관들의 발표내용에 대한 요약이다.

베를린공대에서 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양광 모듈의 옥외 광조사 실험 결과를 공개했는데, 1년간은 어느 정도 안정된 모습을 보이다가 2년째부터는 상당히 열화되는 특성을 나타낸다.

PD(필자)가 학회장에서 전문가인 로잔공대 CSEM C. Ballif 교수에게 탠덤 모듈이 대기 중에서 준안정성(Metastability)을 갖을 수 있겠는지 개인적으로 질문을 했다. 이에 C. Ballif 교수는 페로브스카이트 수광층의 이온 농도가 매우 높고 계면에서 이온들의 속도가 매우 빨라 제어하기 어려운 상황이나, 지속적인 연구를 통해서 언젠가 준안정성을 확보할 수 있기를 기대한다고 답변했다.

페로브스카이트 단일접합 태양전지나 페로브스카이트-결정질 실리콘 태양전지 모두 상용화에 도달하기 위해서는 앞으로도 대면적 고효율 달성, 저가화, 준안정성 확보라는 위대한 도전이 필요할 것으로 보인다.

#2. IRENA, 2022년 재생에너지 발전단가 보고서 발표… LCOE 최근 13년간 89% 감소

IRENA의 최신 보고서(Renewable Power Generation Costs in 2022)에서는, 2000년 이후 설치된 재생에너지 발전용량에 의해 2022년 글로벌 전기 부문 연료비가 5,200억달러 이상 절감됐다고 분석했다. 2010년 이후 설치된 재생에너지 설비가 2022년 글로벌 전기 연료비 절감에 크게 기여했는데, 태양광 발전이 880억달러의 절감효과를 가져왔다고 한다.

2010년부터 2022년까지 13년간, 태양광 발전의 글로벌 LCOE가 89%의 감소를 보이면서 재생에너지원 중 가장 큰 폭의 절감을 보여줬다. 동기간 태양광의 이용률(Capacity Factor)은 14%에서 17%로 3%p의 증가에 그쳤지만, 설치비용이 5,124달러/kW에서 876달러/kW로 83% 급감했다. 태양광 LCOE의 감소 중 모듈 가격의 하락의 기여도가 45%로 가장 컸는데, 모듈의 평균효율은 2010년 14.7%에서 2022년 21.1%로 44% 증가했다.

참고로 같은기간 육상풍력과 해상풍력 발전의 유틸리티 규모 LCOE는 각각 69%와 59% 감소했다. 태양광보다 이용률은 2배 이상 높으나(37~42%), 설치비용이 상당히 고가이기 때문에 LCOE 감소는 부족했다. 2022년 태양광발전 글로벌 LCOE는 0.049달러/kWh(전년 대비 -3%)를 기록하며 화석연료보다 29% 이상 저렴해 경쟁력을 확보했다는 평가이다. 2010-2022년 국가/지역별로 화석연료 LCOE보다 저렴한 1,120GW의 재생에너지 발전이 설치됐다고 한다.

주요 국가별 태양광 설치비용을 비교해보면, 우리나라의 경우 2022년 설치비용이 전년 대비 33% 증가하면서 일본 다음으로 높은 설치비용을 기록했다. 하지만 국내 태양광발전 설치비용은 2010-2022년 87% 감소하며 태양광발전 LCOE 85% 절감을 이끌었다. 중국이나 인도의 각각 89% 및 90% 감소한 LCOE 0.037달러/kWh와는 상당한 차이를 보이나 국내에서도 상당한 가격 혁명이 있었다는 것을 알 수 있다.

2022년 국내 태양광발전 LCOE의 경우에는, 연간 26% 증가해 유럽의 프랑스와 독일의 중간 정도에 해당하는 값을 나타냈다. 사우디아라비아 등 중동지역에서는 태양광 발전 LCOE가 연간 감소했지만, 유럽 등 다른 지역에서는 글로벌 공급망 이슈에 의한 인플레이션 및 높은 금리 등으로 연간 LCOE가 대체적으로 증가했다. 최근의 모듈 가격 급락으로 2023년 글로벌 태양광 LCOE는 감소할 것으로 전망된다.

#3. PV인포링크, 2023년 상반기 글로벌 태양광 모듈 출하량 순위 발표… 1~9위 모두 중국기업

대만 리서치 전문기관인 PV인포링크(PV InfoLink)의 데이터베이스에 따르면, 2023년 상반기 글로벌 모듈 상위 10위 기업들이 159~160GW의 모듈을 출하한 것으로 예측된다. 2022년 상반기 출하량 대비 57% 증가했지만 증가율은 둔화됐는데, 특히 2023년 2분기에는 전년 동기 대비 28% 증가에 그쳤다. 유럽 시장에 중국 모듈 재고가 40GW 정도 쌓여있어 재고소진 중인 영향이 크다. 생산용량 투자과잉과 n형 모듈로의 기술 전환 등으로 대기업과 중소기업 간의 격차는 점차 확대되고 있다.

출하된 모듈의 대부분을 p형 PERC 모듈이 여전히 차지하고 있지만, n형 TOPCon 모듈 출하량도 25~26GW로 급증했다. 2023년에 n형 TOPCon 모듈 생산라인 투자가 본격적으로 진행되고 있으므로 2024년부터는 출하량 역전도 예상해 본다.

고효율의 n형 HJT 모듈과 더불어 장기적인 안목에서 후면전극(XBC) 모듈이 대두되고 있다. 중국의 론지솔라(LONGi Solar)의 경우에는 HPBC 모듈을 위한 30GW 규모의 생산라인을 구축 중이고 상황에 따라서 향후 80GW로 확대를 검토하고 있다. 중국 아이코솔라(Aikosolar)도 ABC 모듈 생산라인을 30GW 구축 중이다. 웨이퍼 면적별로는 M10(182mm) 웨이퍼를 적용한 모듈이 점유율 71.6%로 대다수를 차지했고, M12(210mm) 웨이퍼를 적용한 모듈이 점유율 26.9%를 차지했다. M6(166mm) 이하 소면적 웨이퍼를 적용한 모듈은 점유율 1.5%로 시장에서 점차 사라지고 있다.

중국의 진코솔라(Jinko Solar), 론지솔라(LONGi Solar), 트리나솔라(Trina Solar), JA솔라(JA Solar) 등 톱4 기업들의 출하량이 각각 20GW를 상회해 시장을 주도하고 있다. 5위부터는 경쟁이 치열한데, 톱9이 모두 중국기업이다. 외국기업으로는 미국의 퍼스트솔라(First Solar)가 유일하게 10위에 기록됐다. 한화솔루션은 10위권 밖인데, 국내시장은 축소되고 있고 유럽시장에서는 저가의 중국산 모듈에 의해 고전하고 있다. 이에 따라 하반기 미국시장에서의 판매가 톱10 진입을 좌우할 전망이다.

#4. 폴리실리콘 가격 반등, 모듈 가격은 역사적인 저가 행진… 국내 태양광 제조업 위기 심화

2023년 9월 22일 기준으로 태양광 폴리실리콘 평균가격이 9.35달러/kg를 기록하면서 지난 6월 기록했던 7.72달러/kg에서 소폭 반등했다. 이에 중국 웨이퍼 기업들도 가격을 올리고 있다. 그러나 생산라인 증설 경쟁으로 공급과잉이 심화된 태양광 모듈은 가격이 지속적으로 감소하고 있다. 9월 22일 기준으로 단결정 p형 PERC 모듈 평균가격은 태양전지 크기에 상관없이 0.15달러/Wp를 하회하면서 역사적인 저점을 갱신했고, 단결정 n형 태양광 모듈 평균가격도 0.15달러/Wp에 근접하고 있다.

최근 블룸버그(BNEF)에서는 2023년 태양광 신규 설치용량이 400GW에 근접한 392GW라는 사상 최고치에 도달할 것으로 전망치를 상향했다. 2022년 대비 56% 증가한 수치인데, 주요 이유로는 태양광 모듈 가격 하락과 글로벌 태양광 보급 가속화를 꼽았다. 초유의 관심사인 태양광 모듈 가격은 연말까지 지속 하락할 것으로 전망하고 있다.

태양광 모듈 가격의 역사적인 저점이 지속 갱신되면서 중국 모듈 기업 주도의 치킨게임이 시장에서 심화되고 있다. 그러자 태양광 제조업 르네상스를 외치던 유럽에서 위기 신호가 감지되고 있다.

지난 8월, 노르웨이 태양광 잉곳 제조업체인 NCR이 파산을 선언했고, 9월에는 노르웨이 태양광 잉곳·웨이퍼 제조업체인 노르선(Norsun)이 M6(166mm) 웨이퍼를 1GW 규모로 생산하던 아르달(Ardal) 공장을 연말까지 생산 중단하겠다고 선언하며 직원들을 임시 해고해서 충격을 주고 있다. 특히, 노르선(NorSun)이 EU 혁신 기금 라운드의 우승자로 발표된 지 2개월도 되지 않아 충격이 더욱 크다. 중국이 모듈을 저가로 유럽에 과도하게 판매해 40GW 수준의 재고가 쌓여있는 것을 중단 이유로 비난했는데, 실제로는 중국 기업들의 M10(182mm) 및 M12(210mm) 웨이퍼 점유율 확대가 주원인인 것으로 파악된다.

동사는 북미 모듈 제조사 실팹솔라(Silfab Solar)와 5GW 잉곳·웨이퍼 공급 계약을 체결하면서 IRA 법안의 세재혜택을 받을 수 있는 미국으로 공장을 옮길 것으로 예상된다. 대표적인 독일 태양광 제조업체인 마이어부거(Meyer Burger Technology)의 경우에도 독일 탈하임에 2GW 규모의 태양전지 생산라인을 구축하려던 계획을 철회하고 IRA를 포함한 세재감면 등의 지원 혜택이 풍부한 미국 콜로라도주에 2GW n형 HJT 태양전지 생산라인을 투자할 계획이라고 연초에 발표했다. 내세운 명분은 미국 애리조나 지역에 구축 중인 2GW 모듈 생산라인에 공급하기 위한 전용 태양전지 생산이다.

유럽태양광제조협의회(European Solar Manufacturing Council)가 유럽연합(EU)에 태양광 산업의 강제 노동 금지법 채택을 촉구하는 등 중국에 대한 경고의 목소리를 높이기 시작해서 무역 갈등이 고조되고 있지만, 재생에너지 보급 가속화를 위한 태양광 모듈의 92%를 중국 제품에 의존하고 있는 상황에서 특단의 해결책 마련이 쉽지 않을 것 같다.

이러한 고민은 유럽 제조업만의 일이 아니다. 총 10GW 규모의 생산용량을 보유한 국내 태양광 모듈 제조사들도 국내시장이 축소되면서 해외수출의 판로를 찾지 못하면 감산을 해야 할 상황이다. 즉, 지속되는 모듈 가격 하락의 압박이 재정 악화로 이어져 최악의 경우 국내 태양광 산업 생태계의 붕괴로 이어질 수 있다.

이건오 기자 다른기사 보기