하인즈 쿤데르트(Heinz Kundert) 세미 유럽 회장

 23년 전 세계적인 반도체 장비 관련 애플리케이션 공급업체 발제르스에 입사 후 지금까지 반도체 산업에 오랜 경력을 자랑하는 필자는 이를 바탕으로 2005년 10월 세미(SEMI) 유럽(www.semi.org)의 회장으로 임명되었다. 그가 맡은 임무는 세미 유럽 활동을 전체적으로 관리하고 유럽과 CIS 국가들에서 세미 유럽의 영역을 확장하는 것이다. 그는 현재 세미인터내셔널 국제 관리팀에 소속되어 있다.

태양전지의 생산 비용을 낮추기 위해서는 신기술, 새로운 재료, 높은 생산성 장비가 필요하다. 태양전지용 국제 기술 로드맵(ITRPV)은 효율 증대와 이로 인한 모듈의 전력 출력을 높이기 위한 과정을 상세하게 다루는 정보뿐 아니라 생산의 중요한 특징을 다루는 정보를 제공함으로써 태양광 시장의 발전을 촉진하는 가이드라인이 될 것이다.

다량의 로드맵 데이터를 수집하는 것은 중요한 일이었다. 결정화에서 모듈 제조에 이르기까지 가치사슬에 참여하는 업체들은 발간된 로드맵에서 보고 되는 변수들에 모두 합의했다. 데이터 작성은 각 회사가 입력한 노력을 요약함으로써 이루어졌다.

한편 기술 발전은 셀의 효율 향상을 목표로 하며, 제조는 생산성 증대에 포커스를 맞췄다. 과거 사례와 다른 산업 분야에서 얻은 경험들을 근거로 하면, 새로운 공정과 새로운 도구들을 생산에 실제적으로 도입하는 데는 약 3년이 소요되는 것으로 나타났다. 태양광 산업에서 이에 대한 최근 예는 화학적 후면 에칭을 전면과 후면을 분리하는 데 사용하는 방법의 도입이라고 할 수 있다.

더불어 안정적인 대량 생산에 이르는 데는 두 가지의 중대한 장애물이 있다. 하나는 알파 단계에서 백여 개 셀의 안정적인 공정을 달성해야 하고, 베타 단계에서는 그보다 훨씬 더 많은 셀의 안정적 공정을 달성해야 한다. 이 경우에만 공정은 대량 생산 단계가 될 수 있다. 이 말의 의미는 도구 제조업체들은 알파, 베타 단계에서의 도구들을 개발할 필요가 있고 시장에서 최초로 생산 도구를 도입하기 전에 이러한 도구에 대한 공정을 적합하게 해야 한다.

태양전지 제조원가 감소의 달성

업계의 전반적인 목표는 태양광에너지 생산 비용을 낮추는 것이다. 과거 학습 곡선을 보면 태양광 모듈의 생산 비용은 약 17~26% 감소하고 누적 생산량은 두 배로 증가했다1)~3). 이를 바탕으로 우리는 2010~2020년 동안의 시나리오를 계산했다. 이 시나리오에서는 연평균 산업 성장률이 35%이고, 학습률은 20%로 계산된다. 그림 1에서 보는 바와 같이, 개 당 그리고 연간 모듈 제조 비용이 8~9% 감소의 결과를 가져오면(붉은 선) Wp 당 9~10%의 비용 감소로 이어진다.

그림 1에서 사용된 효율성 데이터는 156×156mm2 다결정 셀에 대한 것이며 Wp 당 제조원가 감소는 웨이퍼, 셀, 모듈 당 제조비용의 감소 덕분임을 알 수 있다. 그리고 셀 효율성 증대의 요인은 드러나 있지 않다. 모듈 변환 효율성 증대와 제조원가의 상당한 감소가 함께 일어난 결과 태양광 산업은 전반적인 비용 감소 목표를 달성할 것으로 기대된다.

웨이퍼 가격의 영향

재료 가격은 전체 생산 비용에 상당한 영향을 미친다. 전체적인 생산원가 인하 목표를 달성하기 위해서는 그림 2에서 제시된 바와 같이 2020년까지 실리콘 가격이 50%까지 내려가야 한다. 결정화와 웨이퍼 생산 과정에서의 생산원가 인하는 용광로, 흑연 부품, 슬러리, 톱니모양 와이어와 같은 소모품에서 주로 가능하다. 그림 3은 2020년 50%의 비용 인하 목표에 도달하기 위해 필요한 가격 동향을 나타낸다. 이 곡선은 연간 약 7%의 제품 가격 인하를 의미한다.

셀 가공에서 가장 고가의 재료는 실리콘 웨이퍼이다. 따라서 웨이퍼 두께를 줄이는 것이 재료비용을 줄일 수 있는 지름길이다. 웨이퍼의 두께는 향후 더 가늘어질 것이다. 우리는 두께가 가장 얇게 가공된 웨이퍼를 대량 생산할 수 있기를 기대한다.

그러나 ITRPV의 제1판과 비교해 제2판에서 두께 축소는 2년 뒤로 미뤄졌다. 실리콘 공급이 늘어나고 원료의 이용 가능성이 높아 웨이퍼 가격이 상당히 낮아져 실리콘 소비를 최소화해야 한다는 압박이 적어지기 때문이다. ITRPV에서 현재 표준 형식(156×156mm2) 웨이퍼는 2020년까지 표준으로 남아 있다. 이 보다 더 큰 규격의 웨이퍼(210×210mm2)는 빨라도 2017년에야 생산에 들어갈 것으로 예상된다.

100μm의 웨이퍼 절단은 웨이퍼 절단 기술 발전 정도로 볼 때 가능하지만 현재 생산수량은 지나치게 감소하고 있다. 이러한 현상은 여러 가지 의미를 내포하고 있다. 얇은 웨이퍼의 생산은 폴리실리콘 사용의 감소와 함께 웨이퍼 가격을 하락시켜 생산원가를 인하한다. 얇은 웨이퍼 생산을 위해서는 파손을 줄이기 위한 혁신적인 취급 개념이 필요하게 될 것이며, 얇은 웨이퍼에서 높은 효율을 얻기에 적합한 새로운 셀 개념이 요구될 것이다. 얇은 웨이퍼에 적합한 새로운 상호연결, 봉지재 제조 개념 또한 필요하다.

금속화 페이스트 및 잉크의 가격

금속화 페이스트·잉크는 웨이퍼뿐만 아니라 셀 생산에서 가장 고가의 재료로, 공정에 큰 영향을 받는다. 특히 산업 평균 납을 함유한 페이스트·잉크 사용 시 최고 효율을 얻는다. 셀 제조업체는 재료비용을 줄이기 위해 납이 함유되지 않은 제품으로 페이스트·잉크를 대체할 필요가 있다. 이러한 대체는 효율 손실이 없을 때만이 진정한 의미가 있다. 페이스트 공급업체들은 동일한 효율 혹은 더 좋은 효율로 납이 함유되지 않은 페이스트를 반드시 개발해야 한다. ITRPV에 따르면 2013년에 납이 함유되지 않은 셀과 모듈이 상용화되기 때문에, 최초의 고효율 납 미함유 페이스트는 2012년 중반부터 이용할 수 있어야 한다.

모듈의 재료

모듈 비용 구조를 보면 성능 개선과 가격 인하가 동시에 이루어져야 하는 두 가지 재료가 또 있다. 바로 유리와 봉지재다. 유리-공기 인터페이스의 앞쪽 반사율은 2013년부터 본격적으로 비(非)반사 유리를 도입함으로써 일반적으로 4%에서 2%까지 줄어들 것이다.

셀에서 모듈까지 전력 손실을 최소화하기 위해서 유리와 봉지재의 빛 흡수력은 감소될 필요가 있다. 이것은 스펙트럼 반응의 청색 불꽃에서 특히 필요하다. 왜냐하면 이 스펙트럼 부분에서 태양전지의 스펙트럼 반응이 좋아지기 때문이다.

생산라인의 변화

결정화 공정의 생산 처리량을 늘리는 것은 잉곳의 일반적인 형식을 변경함으로써 가능하다. ITRPV는 단결정 실리콘(mono-Si)과 다결정 실리콘(mc-Si)에서 잉곳 부피의 증가를 예상한다.

대량생산이 중요한 시대에 생산라인의 처리량과 생산량 증대, 그리고 이로 인한 인건비와 제품 당 도구 비용의 인하를 통해 생산라인 개선을 달성할 필요가 있다. 이러한 추세는 잉곳 성장, 웨이퍼 절단, 웨이퍼 세척이라는 제조공정을 보면 확연히 알 수 있다. 절단과 세척 공정에서 50%의 생산 처리량이 기대된다.

셀 당 도구 비용을 줄이기 위한 적합한 방법은 시스템의 처리량을 늘리는 것이다. 셀 생산 라인에서 처리량을 일치시키기 위해서는 앞면 끝(화학적 처리, 열 공정)과 뒷면 끝(금속화와 분류)은 동일한 용량을 가져야 한다.

이러한 판단의 근거는 단지 약간 늘어난 공정 단계와 현재 셀의 개념이다. 지금의 추세에서는 제조원가 인하 필요성이 절실하며, 2010년에서 2013년 사이에 새로운 설비에 대해 약 20%의 비용 절감을 예측하는 장비 제조업체들의 판단은 옳다고 할 수 있다.

이와 유사한 동향은 모듈 제조에서도 예측된다. 웨이퍼 두께가 현재 얇아지고 있는 현상은 모듈 제조에서도 상당한 비용 절감이 기대된다. 2015년부터 99.3% 생산량 이상으로 150μm 두께의 셀을 공정하기 위해서는 스트레스 완화 지원 구조뿐만 아니라 엄청난 수준으로 개선된 상호연결 기술이 필요하다.

공정 기술의 변화

생산라인의 변수들 외에도 효율 또한 개선될 것으로 예상된다. 셀 생산 면에서 필요성을 반영하면서 더 얇은 셀을 위한 중요한 조건 중 하나는(그림 4) 전체 두께 변동(TTV)의 감소이다. 또 하나의 중요한 변수는 절단으로 인한 손실이다. 웨이퍼 두께 감소뿐 아니라 실리콘 소비를 줄이기 위해서 절단면 손실 또한 반드시 줄어들어야 한다.

조립한 태양전지에서는 가능한 한 많은 전력을 얻을 수 있어야 한다. 이를 나타내는 좋은 지표는 모듈 대 셀의 전력 비율이다. 이는 셀의 전력 회수로 모듈 전력을 나누어 계산한다(모듈 전력/셀×셀 수). 그림 5에 제시된 바와 같이 이 비율은 다결정 실리콘 셀 기술에는 현재 약 97.5%이고 단결정 실리콘 셀 기술에는 96%이다. 2013년에 전력 비율은 AR 유리의 도입으로 인해 약 1.5%의 개선이 이루어질 것이다. 새로운 상호연결, 봉지재 기술(뒷면 접촉 셀과 박막 웨이퍼)의 도입으로 2015년부터는 약 1.0% 의 개선이 더 이루어질 전망이다.

현재의 상호연결과 코팅 기술로 인해 모듈 제조사에 중요한 변수가 되는 것은 리본이다. 높은 생산성을 확보하기 위해 리본은 2mm 이하여야 한다. 이러한 한계는 적어도 2015년까지는 변하지 않고 남아 있을 것이다. 2015년에는 새로운 상호연결 코팅 기술이 도입될 것이다. 이러한 기술로 인해 두께 150μm 이하의 웨이퍼 취급이 용이해질 것이다. 이러한 새로운 상호연결 및 코팅 기술에 대한 리본 제한은 여전히 정의를 내릴 필요가 있다. 리본은 새로운 셀 제조 기술이 도입됨에 따라서 2020년에는 1.5mm까지 줄어들 것이다.

태양전지 효율과 생산원가 로드맵

n-형 단결정 실리콘 웨이퍼의 시장 점유는 향후 5년 동안 현재 약 8%에서 2020년에는 50%까지 올라갈 것으로 예상된다. n-형 다결정 실리콘 웨이퍼의 시장 점유율은 더 적을 것으로 기대된다. p-형 다결정 실리콘 태양전지의 효율성은 향후 몇 년 동안 증대할 것이다. 그림 6은 첨단 기술의 대량 생산 라인에서 다결정 실리콘 및 단결정 실리콘 태양전지의 평균적으로 안정화된 효율성을 예측하고 있다. 그림 7은 2015년부터 시작해서 단결정 실리콘 웨이퍼의 변화 추이를 고려하면서 모듈 전력의 발전 상황을 제시한다. 높은 모듈 효율을 비롯해 생산원가 인하에 도달하는 한 가지 방법은 뒷면 접촉 셀을 기본으로 하는 모듈 기술을 사용하는 것이다. 우리는 생산에서 뒷면 접촉 셀 세계적인 동향을 예상한다.

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