결정계 태양전지 모듈 제품 개발 현황

올해 세계 태양광 PV 시장은 주요 셀 및 모듈 제조업체를 중심으로 성장했으며, 상위 10대 공급업체가 수요를 지배하고 있습니다. 모듈 제품 부문에서 신규 증가 물량은 수직 계열화가 완성된 상위 10개 업체가 시장의 78%를 차지하고, 용량은 70GW에 이를 것으로 전망되고 있습니다.  앞으로 Tier-1 제조업체는 계속 성장할 것으로 예상되고 있어, 예측 수요(143.7GW)보다도 훨씬 많은 생산 능력을 보유하게 될 것으로 보여 공급 과잉과 이로 인한 판가 하락을 피하기 어려울 것으로 예상됩니다.

예로 M6 셀의 경우 0.101~0.104 $/W, 모듈의 경우는 0.196~0.2 $/W 정도로 예상됩니다. 시장에서 제품별 비율은 결정계 제품이 95%, 박막 제품이 5%로 예상되고 있습니다. 본 아티클은 최근에 재생에너지 분야에서 제일 선두에 있는 태양전지 모듈 제품이 어떤 기술을 바탕으로 개발되는지에 대해 기술 동향을 전해드리려고 합니다.

모듈 제품 구조

그림 1에서와 같이 모듈의 구조는 Glass/EVA/Cell/EVA/BS으로 되어 있고, 주변에는 프레임으로 둘러 쌓여 있으며, 생성된 전기를 외부에 연결을 하기 위해서 Junction box가 후면에 연결되어 있습니다. Glass는 태양광이 들어오는 면에 대한 외부 충격으로부터 태양전지를 보호해주는 역할을 합니다. Glass 두께는 3.0 mm 이상 카테고리가 시장의 80%를 점유하고 있습니다. 한편 EVA는 셀의 전/후면에 위치하면서 셀을 보호하는 역할을 하는데요, 색상에 따라서 투명/White로 나뉘고 Melting Index에 따라서도 나누어지기도 합니다.

최근 Tier-1업체들은 셀 크랙을 막기 위해서 비싸더라도 두꺼운 EVA(~600μm)를 사용하기도 합니다. 후면의 Backsheet(BS)도 외부 환경으로부터 보호하는 역할을 합니다. 그림 1의 모듈 구조는 일반적인 구조로 다른 구조를 갖는 제품을 뒷쪽에서 다루겠습니다.

모듈 제품 외관에 따른 구분

그림 2에서와 같이 모듈의 구조는 일반적인 구조를 갖는 Conventional PV 모듈과 Bifacial PV 모듈이 있습니다. 구조상 가장 큰 차이점은 Conventional PV 모듈에는 불투명 Backsheet가 사용되는 반면에 Bifacial PV 모듈에는 불투명 Backsheet 대신 Glass 혹은 투명 Backsheet을 사용한다는 점입니다. 이는 모듈을 설치 시 모듈 후면이나 주변에서 생기는 난반사된 빛을 후면에서 재흡수함으로써 모듈 출력을 더욱 증가시키려는 목적이 있습니다.

즉, 전면에서 들어오는 빛에 의한 모듈 출력과 후면으로 재반사해서 들어오는 빛에 의해서 생성되는 모듈 출력이 합쳐져서 출력이 나오게 되기 때문에 Conventional PV 모듈 대비 출력이 높습니다. 따라서 유틸리티 고객들이 선호합니다.

이런 Bifacial PV 모듈에 사용되는 태양전지는 구조도 다릅니다. Bifacial PV 모듈에 사용되는 태양전지는 후면으로 들어오는 빛에 대해서 흡수를 할수 있도록 설계되어 있습니다. 이런 셀을 Bifacial PV Cell이라고 부릅니다.

그림 3에서와 같이 Bifacial PV 모듈에 대한 점유율은 계속 늘어날 것으로 예상됩니다. 고객 입장에서는 Glass를 전/후면에 사용하기 때문에 기존 제품 대비 외부 환경에 대한 내구성이 좋은 이유도 있지만, 모듈 제품을 구매할 때 $/W 로 계산해서 제품 가격을 지불하는데, 전면으로 들어온 빛에 대해서 생성된 출력값에 대해서만 지불하기 때문에 유리합니다. (물론, 실질적으로 시장에서는 Conventional PV 모듈에 더 높은 판매가 형성되어 있습니다.)

제조업체 입장에서는 Glass를 한장 더써서 원가가 올라가는 문제(Glass 가격이 Backsheet 보다 고가)가 있지만 태양전지를 생산할 때 후면 Paste를 아낄 수 있기 때문에 Paste 부분의 원가가 절감되는 효과도 있습니다.

이런 Bifacial PV 모듈에서 중요한 것이 Bifaciality Factor 입니다. 이는 모듈 제품이 전면과 후면, 각각 모듈 출력을 측정했을때의 출력 비율을 나타내는데요, 당연히 전면의 출력이 분모이고 후면의 출력이 분자입니다. 이 Bifaciality Factor에 가장 크게 영향을 주는 요소는 후면 막질 구조입니다.

그림 4을 보면, 결정계 제품 중 PERC 가 70%  정도의 수치를 보이고 있으나, 고객들은 더 높은 수치를 선호하는 분위기입니다. 고객 입장에서는 전면의 출력으로 모듈 가격을 지불하고 후면으로 들어오는 빛이 많으면 일종의 보너스 개념으로 출력을 더 얻게되는데, Bifaciality Factor가 크면 후면에 기인한 출력이 더 늘어나기 때문입니다.

그런데 이 관점은 고객의 입장이고, 제조업체 입장에서는 부담이 되는 부분입니다. Bifaciality Factor가 커질수록 전면에서 생성되는 출력이 상대적으로 줄어들기 때문입니다. 일종의 트레이드 오프 관계가 있기 때문입니다.

모듈 제품 사이즈와 출력

아래 그림 5은 모듈 사이즈(~1.8 와 ~2.2 m²), 셀 수(60 pcs, Full Cell), 타입(Half Cell, M6)에 대한 출력 트랜드를 보여줍니다. 1.8 m² 사이즈(60셀. Half Cell 기준 120개)는 현재 대표적인 제품 중 하나로서 출력 트랜드를 보면,  2021년의 경우 결정계 제품(예: PERC)들은 380W이고,  2028년에는 약 400W 가 예상됩니다.

이렇게 출력 증가에 영향을 주는 인자로는 셀효율와 모듈 자재, 그리고 모듈 크기를 들 수 있습니다. 아래 트랜드의 경우는 주로 셀효율이 증가되는 것과 일부 모듈 자재(Anti Reflection Glass, Thinner Glass, High Reflection Rear EVA, High Reflection Wire) 개발에 기인합니다. PERC  계열의 제품과 TOPCON 은 모듈 출력 1~2 Class(5~10W) 차이가 예상되고 있고, 이는 출력 트랜드에 비슷하게 반영이 되고 있습니다.

셀의 Busbar 개수에 따른 모듈 제품 트랜드

웨이퍼 사이즈를 커지거나 셀효율을 높아지면 ,증가되는 셀 파라미터 중 하나가 단락전류(Isc, Short Circuit Current)입니다. 전류는 입사하는 빛에 의해서 생성이 되는데, 출력손실을 최소화 시키면서 출력을 뽑아내기 위해서는 셀 구성 중 Busbar의 숫자를 늘려줘야 합니다.

마치 자동차 댓수(전류)가 늘어나면 고속도로의 차로수(Busbar)를 늘여야 하는 것과 유사한 개념입니다. 그림 6에서와 같이 지금까지의 제품들을 보면 M4 사이즈의 웨이퍼에서는 6 Busbar(BB)면 충분했으나 M6부터는 최소 9BB가 필요하게 되었습니다. 앞으로 M10이나 M12에서는 최하 12BB 는 되어야 출력손실을 최소화하면서 원하는 모듈 출력이 가능할것으로 예상됩니다.

개념상으로는 제품 개발 방향이 Busbar가 늘어나는 방향이라고 생각할수 있으나 이렇게 Busbar의 수치가 늘어나면 모듈 개발의 핵심 공정 중 하나인 Tabber 설비를 변경/개조/새로 구입을 해야하는 문제가 있을 수 있습니다. Tabber 설비는 셀과 셀들을 일종의 납땜 방식으로 연결을 해주는 설비라고 하면 생각하면 됩니다. 납땜에 사용되는 것이 리본이나 와이어인데 Busbar 수치가 늘어남에 늘어난 리본이나 와이어를 Tabbing 대응하기 위해서 대부분의 업체는 신규로 장비를 구입하게 됩니다.

따라서 그림 7에서는 고출력을 위해서 대면적 웨이퍼(M10 또는 M12)를 사용할 것이라는 추세를 확인할 수 있고, 이를 위해서 더 많은 Busbar가 사용될 것이라는 추세를 알 수 있습니다.

이런 부분이 태양광 사업의 특성 중 하나이기 때문에 신규업체가 진입하더라도 기존업체가 얻는 프리미엄은 없게 됩니다. 즉 대면적 제품을 새롭게 시작한다면 설비 비용도 마찬가지로 소요되기 때문입니다. 오히려 4/6/9 BB 를 사용하던 기존 업체들이 시장의 빠른 변화로 인해서 감가상각이 안 끝난 설비를 처분해야 하는 어려움이 생기게 됩니다.

웨이퍼(Wafer) 사이즈 증가에 따른 제품 개발 방향

앞에서 설명했듯이 모듈 출력을 높이는 방법으로는 모듈에 사용되는 부품 중 셀의 효율 혹은 출력을 높이면 됩니다. 아래 그림8에서와 같이 셀 출력을 높이기 위해서 사이즈가 큰 웨이퍼 사용이 늘어나고 있습니다. 현재 시장에서 대부분 사용되는 웨이퍼의 사이즈는 M4(161.7×11.7 mm²)이거나 M6(166×166 mm²)입니다. 현재 Tier-1 회사들의 경우는 이보다도 큰 사이즈인 M10(182×182 mm²)나 M12(210×210 mm²)을 준비하고 있습니다.

예로 들어서 M4 와 M12 를 사용해서 모듈을 만들면 모듈 출력이 각각 360 W 와 608 W 가 나오게 됩니다. (면적은 정사각형, Cell To Module(CTM) 전환율은 100%, 셀 효율은 23%, 60개 셀 구성일 경우) 모듈 제품의 경우 등급을 5W 단위로 구성되는 것을 감안하면, M4와 M12는  248W라는 굉장히 큰 출력 차이를 보이게 됩니다.

이런 이유에서 셀 효율을 높이는 것 뿐만 아니라 대면적 웨이퍼를 사용해서 모듈 출력을 높이는 활동을 하게 된 것입니다. 그림 8을 보면 2031년도에는 M10과 M12가 시장에서 주요 웨이퍼가 될 것으로 예상되고 있습니다. 하지만 제조 업체들이 어떤 제품을 더 선호하고 생산하는지에 대한 트렌드 파악도 중요합니다. 최근에 Tier-1 업체 중 Jinko, Longi 그리고 JS Solar 가 M10을 중심으로 모듈 제품을 표준화 하겠다고 발표한 것이 하나의 사례입니다.

그림 9는 발전소에 설치되는 모듈 사이즈의 트랜드를 보여줍니다. 현재는 2.2 m² 이하 사이즈가 시장의 점유율이 약 75%가 되고 있지만 큰 사이즈 웨이퍼 사용 때문에 점유율 또한 지속적으로 늘어나 날 것으로 예상됩니다. 이는 앞에서 설명 했듯이 웨이퍼 사이즈가 커지고 있기 때문이며, 이로 인해서 큰 사이즈의 고출력 모듈 생산이 늘어날것으로 예상됩니다.

맺음말

신재생에너지 중에서 결정계 태양전지의 기술 동향 및 제품에 대한 이해를 돕기 위해서 위와 같이 정리했습니다. 각 주제별로 현실적인 수치와 차이가 있는 경우도 있겠지만 트랜드 파악에는 도움이 될 것으로 생각합니다. 박막 같은 다른 제품군도 현실적으로 기여를 하고 점유율도 가지고 있겠지만 실질적인 주류는 결정계 제품이고 앞으로도 그럴 것으로 예상됩니다.

이는 단순히 결정계 제품 개발 뿐만 아니라 소재/부품/장비가 같이 대규모로 발전하기 때문입니다. 특히 소재나 장비의 경우, 중국에서 많은 발전이 일어나고 있기 때문에 향후 최소 5년 이상은 이 트랜드가 유지가 될 것으로 보입니다. 탤런트뱅크는 결정계 태양전지 분야를 지속적으로 모니터링하고 이를 기반으로 보고서를 추가로 발행할 예정이며, 이를 토대로 정책이나 사업 방향에 앞으로도 도움을 드리고자 합니다.

참고문헌