프랭코 트라베르소(Franco Traverso)

필자는 실파브(Silfab) S.p.A.와 실파브 온타리오의 대표이사로 활동 중이다.

현재 우리는 전례 없는 셀 생산량 증가와 급격한 가격 하락을 경험하고 있다. 여러 가지 강력한 시장 변화들로 인해 제조업체들은 수직계열화 쪽으로 조치를 취할 수밖에 없는 상황이다. 실파브(Silfab)와 ISC 콘스탄즈는 공동 협력을 통해 셀 및 모듈 제조업체들에게 새로운 기회 창출을 제공하고 있다. 지브라 & 심바(Zebra & Simba) 기술이 그것이다. 지브라 & 심바 기술은 이미 시장에서 이용 가능한 공정과 소재의 조합으로, 기술적 접근은 40년 이상 생산된 전력에서 39%의 시장 점유율을 차지한다. 이 기술로 현재의 산업 표준 제조 라인은 매우 경쟁력 있는 비용으로 초 고효율 셀과 모듈을 생산할 수 있다.

그리드 패리티의 달성 

여기에는 어떤 의심도 있을 수 없다. 향후 몇 년 이내에 그리드 패리티(자원고갈로 석유와 같은 화석연료 발전단가는 상승하는 반면 태양광과 같은 신재생에너지의 전력 생산비용은 낮아져 서로 가격이 동일해지는 시기)가 태양광 시스템에 의해서 도달될 것이고, 태양광에너지는 전 세계적으로 대량으로 보급될 것이다. 우리는 그리드 패리티의 정의에 대해 언쟁을 할 필요가 없다. 그리드 패리티는 태양광으로 발전된 전기가 전통적인 방법으로 생산된 전력과 같은 경쟁력을 갖추는 상태를 말한다. 세계 대부분의 지역에서는 아직 그리드 패리티 달성이 현실화되지 않았지만 일부의 지역에서는 이미 그리드 패리티를 달성했다.

특정한 조건 하에서 이미 그리드 패리티를 달성했는지, 그렇지 않은지 판단하는 기준에 대해 이론의 여지가 있을 수 있다. 그러나 1981년에 태양광 제조 사업을 시작했고, 그때 이후로 지금까지 이 사업을 확장해온 필자는 꿈의 그리드 패리티 실현이 머지 않았다고 전망한다. 불과 몇 년 전만 해도 주류의 일반 여론은 이렇게 전망하는 태양광 기업가 혹은 전문가들을 향해 미친 기업가가 아니라면 괴짜들이라고 생각했다. 그러나 현재 태양광 셀 생산은 2010년 27.2GW에 달했다. 필자는 그리드 패리티와 지속 가능한 에너지 생산 방향으로 목표를 설정하고 수직계열화를 갖춘 태양광 업체 실파브 그룹을 경영하고 있는 것을 매우 자랑스럽게 생각한다.

현재 태양광 시장의 두 가지 특징

우리는 태양광 산업의 역사에서 아주 중대한 시기를 맞고 있다. 지금의 시장은 다음의 두 가지 주된 요인으로 요약된다. 첫째는 전례 없는 셀 생산량 확대이다. 포톤 인터내셔널에 따르면 2010년 셀 생산량이 전년대비 118% 증가해 27.2GW에 달했다. 이러한 급격한 증가는 2011년에도 계속되고 있다. 상위 12개의 제조업체들만 해도 각각 1GW 이상으로 생산량이 확대되었고, 19개 제조업체들은 올해 0.5GW 이상, 다른 180개 제조업체들 역시 0.5GW까지 생산량을 확대하고 있다. 이런 추세라면 2011년 연간 총 생산량이 35~40GW까지 가능하다. 이 정도의 전력 생산량이 지속된다면 독일과 이탈리아 같은 주요한 유럽 시장에서 정부 보조금이 축소되더라도 수천만 명의 사람들에게 전력을 공급할 수 있을 것이다. 그 결과 급격한 가격 하락이 동반되고 전력 제조업체들은 수직계열화, 혁신, 제품 다각화, 비용 절감 등의 방법 도입을 추진할 수밖에 없다.

둘째는 기술의 급격한 변화다. 처음부터 태양광 산업은 주로 반도체 산업용이라고 간주되던 실리콘 원료를 사용해왔다. 최근 들어서 태양광 시장의 발전이 가속화되면서 소재 공급이 중요한 문제로 대두되었다. 따라서 태양광 산업은 원료 제조업체들에게 압력을 가하게 되었다. 2006년부터 시작해서 최초로 태양광 산업에 사용되는 폴리실리콘이 다른 모든 재료의 사용을 초과하게 되었다. 이 단계에 도달하기 전에는 태양전지 원료의 기술은 거의 변화가 없었다. 실제로 소재와 기술의 측면에서 보자면 현재의 태양전지는 기본적으로 25년 전과 거의 달라진 것이 없다. 반면 셀 크기의 확대, 3 버스-바(3 Bus-bar), 셀렉티브 에미터(Selective Emitter) 등과 같은 기술적 발전 덕분에 1990년대에 12~14%던 효율이 현재는 15~19%까지 증대되었다. 그러나 이 기술은 한계를 갖고 있다. 앞면 접촉 전지의 예상 효율의 한계는 20%이다.

이러한 두 가지의 주요한 추세로 보자면 현재 패러다임 변화가 일어나고 있고 태양광 산업 전체를 변모시키고 있다. N-타입 실리콘 태양광 셀과 새로운 봉지재에 대한 연구는 현재 그 어느 때보다 활성화되었다. 그리고 실파브의 연구개발 노력은 이 과정에 집중되고 있다. 실파브의 지브라 & 심바 신기술은 이러한 발전의 선구자적인 역할을 하고 있다.

셀의 생산량 증대

현재 태양광 모듈의 효율 증대에 필요한 것은 수직계열화이다. 셀과 모듈 혁신을 통해 시너지 효과를 창출하기 위해서는 수직계열화가 필요하다. 예컨대 최근 도입된 셀렉티브에미터 기술이 적용된 셀은 태양 복사에서 광범위한 스펙트럼을 흡수한다. 그러나 이러한 장점은 눈에 띄게 축소되는데, 그 이유는 모듈에 부착되는 EVA가 넓은 스펙트럼 중 많은 양을 흡수하기 때문이다.

실파브는 현재 이러한 근시안적인 접근법을 개선하기 위해 노력하고 있다. 실파브는 현재 시장에서 쉽게 이용할 수 있는 소재와 장비를 사용하면서 혁신적인 생산 공정을 결합해 모듈 생산성과 함께 셀 생산성 개선에 성공했다. 이것이 바로 넓은 면적(156×156mm)의 전통적인 N-타입 단결정질(Cz) 실리콘 웨이퍼에 기초한 새로운 초고효율 후면 접촉 태양전지 기술인 지브라 기술과, 더 넓은 태양광 스펙트럼에 모듈이 눈에 띄게 투명성을 확장하고 시간이 갈수록 내구성과 생산성이 상당 수준으로 증대되는 신기술인 심바 기술의 합작품이다.

실파브는 지브라 & 심바 기술에 관한  기술 제공업체로, 이 새로운 계획을 통해 파트너십이 상당 수준으로 늘어날 것을 기대하고 있다.

지브라 & 심바는 생산성과 수명 확대 목표를 이미 달성하고 있으며, 와트 당 달러($/Wp) 면에서 생산비용을 상당 수준으로 감소시키고 있다. 기술적인 관점에서 보면 세 가지의 주요한 요인들이 관련된다. N-타입 실리콘 웨이퍼, 후면 접촉(IBC) 태양전지(지브라), 실리콘 모듈 봉지재 기술(심바)이 그것이다.

초고효율 최적의 조건 N-타입 실리콘

지난 30년 동안 반도체 산업에서 P-타입 실리콘이 했던 핵심적인 역할 덕분에 전통적인 태양광 셀이 이만큼 성장할 수 있었다. 그러나 일반적인 불순물에 대한 저항성이 아주 큰 덕분에 N-타입 실리콘이 P-타입 실리콘에 비해 기술적으로 생산이 더 쉬우며 생산 비용도 적게 든다. N-타입 잉곳·웨이퍼는 훨씬 더 고품질의 전기적 자질을 갖고 있으며, 이런 특성으로 인해 태양광 셀의 초고효율이 얻어지는 것이다.

P-타입 실리콘에 비해 N-타입 실리콘의 또 다른 중요한 장점은 P-타입 실리콘 셀이 1.5~2%의 ‘빛에 의한 노후화’를 나타내는 반면에 N-타입 실리콘은 이 수치가 0(제로)라는 것이다. 태양광에 처음으로 노출되었을 때 일반적인 모듈은 초기에 노후화가 일어나 그 결과로 모듈 성능이 전체 수명 주기 동안 떨어진다. 그러나 N-타입 실리콘 태양광 셀에서는 이런 현상이 발생하지 않으며, 전체 수명 주기 동안 완벽한 성능을 그대로 유지한다.

결국 N-타입 실리콘은 초고효율 셀 생산을 위한 최고의 해결책이다. 실제로 현재 산업용으로 이용 가능한 최고의 효율성을 갖는 전지 설계는 모두 N-타입 단결정질 실리콘을 기본으로 한다. 이것은 HIT 이종 접합과 서로 맞물린 IBC 태양전지이며, 현재 시장에서 이용 가능하지만 매우 고가의 제조비용으로 생산된다. 실파브가 직면한 도전은 전통적인 셀 생산 라인에 비해 훨씬 더 낮은 생산 비용으로 초고효율 N-타입 셀을 생산하는 것이다.

새로운 맞물림 IBC 태양전지

최고 품질의 웨이퍼와 최신 첨단 기술을 사용하더라도 제한된 표면 보호막과 전면 은(Silver) 접촉에 의한 음영과 같은 몇 가지 이유들 때문에 전통적인 전면 접촉 셀은 20% 이상 수준의 효율을 달성할 수 없다. IBC 태양전지에 대해 업계의 관심이 촉발된 것은 바로 전면 접촉 태양전지에서 나타나는 한계 때문이다.

지브라 셀의 컨셉은 넓은 면적(156×156mm)의 N-타입 단결정(Cz) 실리콘 웨이퍼를 기본으로 한다. 지브라 셀은 태양이 비치는 면에 금속피복이 없는 후면 접촉, 후면 접합 셀의 개념이다. 단순한 공정과 저가의 투자비용뿐만 아니라 전통적인 N-타입의 넓은 면적 웨이퍼의 조합을 통해 상당한 생산 비용 감소가 가능하고 태양광 셀의 높은 효율성은 그대로 유지된다. 이러한 기술적 성취는 실파브의 기술팀이 오랜 기간 축적한 산업 경험과 태양전지, 특히 N-타입 실리콘 태양광 셀에 대한 연구개발 전문가 그룹인 ISC 콘스탄즈 팀의 우수한 전문성이 절묘하게 결합된 결과이다.

지브라 공정은 태양광 산업에서 대량 생산에 이미 도입된 일괄적인 공정 단계의 새롭고도 스마트한 조합이다. 이러한 방법을 통해 산업용 후면 접촉 셀 전용 장비를 도입할 필요가 없어졌다. 공정은 표준 스크린 인쇄에 의한 금속피복(웨이퍼의 표면에 금속막을 일정하게 증착시켜 웨이퍼 위에 있는 직접회로의 부품들 사이에 배선하는 것), 그 이후에 레이저를 사용해 후면 확산 부분을 처리하는 것을 기본으로 한다. 부분적인 도핑을 위해 광학적 석판 인쇄가 필요 없다. 필요한 장비는 단결정 실리콘 광 셀 생산라인에 필요한 표준 장비와 SiNx, B-확산, B-에미터 패시베이션(Passivation) 공정을 위한 신속하고 정확한 레이저이다. 기존의 생산라인을 재정비함으로써 신속한 산업적 설치가 셀 생산 비용을 상당 수준으로 줄일 수 있다.

22% 효율성이 의미하는 바는 셀 당 전력 생산량이 높아져 현재 평균 245Wp 전력을 생산하는 60셀 모듈에서 306Wp를 생산할 수 있다는 말이다. N-타입 실리콘을 사용하면 빛에 의한 모듈 노후화가 없기 때문에 지브라는 현장 효율에서 1.5~2%의 추가 효율성을 제공하는 셈이다. 전체적으로 일반 모듈에 비하면 IBC 모듈은 셀에서 모듈까지 전력 유출 정도가 낮기 때문에 유효 전력 면에서 25%의 효율성을 확보한다.

모듈 노후화 낮춘 실리콘 봉지재

혁신적인 모듈 봉지재인 실리콘 봉지재는 현재 실파브에서 그 효과가 입증되고 있는 단계이다. 실리콘 봉지재의 광학적 투명성, 특히 자외선 파장에 대한 광학적 투명성 덕분에 셀 성능이 향상되고, 모듈까지 전력이 안전하게 이전되어 전력 누출이 3% 미만까지 떨어진다(EVA 봉지재를 사용하는 현재의 일반 기술이 평균 약 5.5%의 전력 누출이 있는 것과는 상당히 대조적이다).

더욱이 실파브의 옥외 애플리케이션은 지난 몇 십 년간 장기적인 내구성이 있음을 충분히 입증했다. 실리콘 봉지재는 시간이 경과하면서 거의 노후화가 되지 않기 때문에 N-타입 제로 LID(빛에 의한 노후화) 지브라 전지와 함께 새로운 세대 태양광 모듈의 장기적인 생산성을 보장하는 요소이다. 현재 모듈의 노후화가 연 0.8%로 최고 기술 수준이라도 해도 일정정도 노후화가 일어나기 때문에 25년이 지나면 모듈의 전력 생산능력이 약 80% 수준에서 유지된다. 그러나 지브라의 연 예상 노후화는 고작해야 0.15% 정도이고, 따라서 30년이 지난 후에도 95% 이상까지 모듈의 전기 생산 능력이 유지된다. 태양빛에 노출 된지 50년이 지나도 모듈의 전기 생산 능력은 거의 93%까지 유지된다.

광범위한 태양광 스펙트럼에서 이용 가능한 태양빛의 입자를 매우 효율적으로 포착하는 능력, 장기적인 내구성 외에도 실리콘 봉지재는 매우 낮은 이온 불순물, 낮은 습기 흡수율, 낮은 유전율, 저온과 고온에서도 사용할 수 있는 기능성과 같은 다른 우수한 기능들 덕분에 향후 태양광 산업에서 이상적인 솔루션으로 떠오르고 있다.

심바 모듈에서 사용 중인 기술은 실리콘 투여 단계로 대체되는 코팅 단계만 제외하면 태양광 산업에서 사용 중인 기술과 동일하다.

기술 제공업체로서 실파브의 사명

실파브는 지브라 셀과 심바 모듈 기술을 제공하는 업체로서 활동할 것이며, 선정된 태양광 제공업체들은 라이선스를 얻게 될 것이다. 이를 통해 지브라 셀과 심바 모듈은 향후 제품 차별화에 성공할 것이고 시장에서 입지를 공고히 할 것이다.

잘 알려진 산업 공정과 기존 생산라인의 완전한 사용에 기초하기 때문에 전통적인 셀과 모듈 생산 라인에 필요한 자본 투자는 매우 적은 수준이 될 것이고, 그러면서도 출시까지 걸리는 시간은 매우 단축될 것이다. 바로 이런 이유로 해서 지브라와 심바 기술은 그 어떤 기술보다 매력적으로 느껴진다.

전 세계적으로 태양광 시장은 신기술을 환영하는 추세다. 화석 연료를 대신해 대량의 에너지를 생산할 수 있는 새로운 에너지 생산 방법의 개발 또한 필요성을 인식하고 있다. 그리고 후쿠시마 원전 사고와 같은 원자력 발전소의 위험 때문에 세계의 여러 국가와 정부는 신재생에너지원의 개발을 계속적으로 지원하고자 한다. 그러나 이러한 시장을 지탱시켜왔던 정부 보조금, 인센티브가 머지않아 종료되거나 상당 수준으로 줄어들 것이다. 세계 태양광 산업은 전체 가치 사슬을 통해 더욱 효율적으로 움직여야 하며, 빠른 시간 내에 그리드 패리티에 도달하는 방법을 반드시 찾아야 한다.

중·단기적으로 보면 결정질 실리콘 기술은 곧 현실화될 초 고효율, 낮은 생산비용, 장기적인 내구성을 가진 제품이라는 장점 때문에 시장을 계속적으로 지배할 것이다. 차세대 태양광 부품과 시스템을 통해 그리드 패리티에 도달할 때 최종적인 돌파구가 머지않아 마련될 것이다.

2011년 12월 무렵 실파브의 시범 생산 라인이 지브라 셀과 심바 모듈 생산을 시작할 것으로 기대를 모으고 있다. 2012년 중반부터 실파브와 ISC 콘스탄즈는 시범 생산라인에서 21.5% 셀 효율을 목표로 하고 있다. 이를 통해 모듈 당 300Wp까지 전력 생산이 가능하도록 할 것이다. 잠재적인 고객들에게 이 기술의 우수성을 보여주기 위해서 뿐 아니라 공정의 산업적 실행가능성을 검증하고 충분히 입증하기 위해 이 두 개의 시범 생산라인이 현재 설치 중에 있다. 

태양광 산업에서는 이미 검증된 기술 그러나 첨단 기술을 사용해 에너지를 생산하고 시장에 접근하는 새로운 방법을 구상하는 진취적인 기업가들을 필요로 하고 있다. 인간의 오랜 꿈이 이제 현실로 이루어질 수 있는 것이다.

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