[한국에너지기술평가원 명승엽 PD] 미국, EU 등을 필두로 세계 각국이 글로벌 태양광 산업을 잠식하는 중국 기업들에게서 자국 산업 보호를 위한 조치를 펼치고 있지만, 중국의 영향력을 쉽사리 떨치지 못하는 모습이다. 글로벌 출하량에서 기업간 순위 변화만 있을 뿐, 점유율 면에서 여전히 압도적인 모습을 보이고 있다.

태양전지 산업에서 기술개발의 중요성도 두드러진다. n형 TOPCon으로 시장이 재편되면서 기업간 특허침해소송이 증가하고 있다. 태양광 모듈의 효율이 점차 중요해짐에 따라 탠덤 태양전지 등 차세대 태양전지의 선제적인 기술개발 중요성이 부각되고 있다. 8월 11일부터 14일까지 4일간 대전컨벤션센터(DCC)에서 개최된 글로벌 태양광 학회인 ‘GPVC 2024’에서는 탠덤 태양전지에 대한 세계 각국의 높은 관심을 엿볼 수 있었다.

#1. 2024년 상반기, 中 태양광 굴기 심화… 글로벌 태양전지 출하량 상위 5개사 및 모듈 출하량 상위 10개사 모두 중국

PV InfoLink에 따르면, 2024년 상반기 글로벌 상위 5개(TOP5) 태양전지 공급업체들은 총 78.0GW를 출하했다. 이는 전년 동기(84.4GW) 대비 7% 이상 감소한 수치로, 최근의 급격한 성장세가 주춤한 모습을 보였다.

TOP5 기업들의 순위에도 변동이 있었다. 전통의 1, 2위였던 통웨이솔라(Tongwei Solar)와 아이코솔라(Aiko Solar)를 밀어내고, 솔라스페이스(SolarSpace)가 깜짝 1위에 등극했다. 적극적인 해외 시장 개척 덕분으로 분석되며, 솔라스페이스는 베트남, 캄보디아, 말레이시아, 태국 등 동남아시아 4개국에 대한 미국의 태양전지 및 모듈 반덤핑(AD)/상계관세(CVD) 조사에 대한 부담을 완화하기 위해 라오스에 제조공장을 구축했다.

중국 CNBM의 자회사인 지타이솔라(Jietai Solar)는 n형 TOPCon 태양전지로 제품을 신속하게 전환하며, 2위에 등극했다. 각각 3위와 4위로 순위가 내려간 통웨이솔라와 아이코솔라는 자체 모듈 생산용량 증가에 대응하기 위한 태양전지 공급 증가와 기존 p형 PERC 생산라인을 n형 TOPCon 생산라인으로 업그레이드하는 과도기에 직면해 출하량이 감소했다.

동기간 n형 TOPCon 태양전지 출하량은 40.6GW를 기록하며, p형 PERC 태양전지 출하량의 37.3GW를 추월하면서 52%의 시장 점유율을 차지했다. 이는 2024년 상반기에 태양전지 기술의 역사적인 변곡점이 발생했다는 의미다.

태양전지의 기판인 웨이퍼의 모양에도 큰 변화가 있었는데, 기존에 시장을 주도했던 M10(182-182.2mm) 정사각형 웨이퍼의 변종인 M10R(182-182.2xRmm, R: 183.75-199mm) 직사각형 웨이퍼가 가세해 상위 5개 기업 출하량의 78%인 61GW를 기록했다. 이 중 M10 정사각형 웨이퍼 기반 태양전지 출하량이 37.5GW(비중 61%), M10R(R: 183.75mm) 직사각형 웨이퍼 기반 태양전지가 나머지 출하량인 23.6GW(비중 39%)를 기록했다. M12(210mm) 정사각형 기반 태양전지 출하량은 13.3GW로 시장 점유율 17%를 차지했고, G12R(182×210mm) 직사각형 웨이퍼 기반 태양전지 출하량은 3.2GW로 시장 점유율 4%를 차지했다.

M6(166mm) 웨이퍼 기반 태양전지의 시장 점유율은 1% 미만으로 시장에서 사장되는 분위기이다. n형 TOPCon 태양전지의 경우에는, 출하량의 56%를 M10R(R: 183.75mm) 직사각형 기반 태양전지가 차지하며 주도했다.

한편, 글로벌 상위 10대(TOP10) 태양광 모듈 공급업체는 2024년 상반기에 총 226GW를 출하해 전년 동기(160GW) 대비 40% 증가했다. 기존의 TOP10 기업이었던 한화솔루션, 퍼스트솔라의 순위가 내려가면서 TOP10을 중국 기업이 모두 차지했다. 이는 중국발 글로벌 공급과잉의 영향이라고 할 수 있다.

진코솔라(Jinko Solar), JA솔라(JA Solar), 트리나솔라(Trina Solar) 론지(LONGi Solar) 순으로 출하량 TOP4를 차지했고, 이들은 5위 이하 기업과는 격이 다른 출하량을 기록했다. 공동 8위까지 10GW 이상의 출하량을 기록했다. 그러나 중국 중심의 상위 10대 제조기업의 평균 해외 출하량 비율은 점차 감소하는 추세를 보여주고 있다(2022년 상반기, 65%→2023년 상반기, 47%→2024년, 44%). 글로벌 공급과잉의 여파로 중국의 상위 10개 기업들이 대부분 적자로 전환하면서 2024년 출하 목표를 기존 700GW에서 555~611GW로 하향 조정했다.

시장에서 고효율의 n형 TOPCon 태양전지 공급이 늘어나면서 n형 TOPCon 모듈의 시장 점유율이 70%로 급증했다. p형 PERC 모듈은 시장 점유율이 27~28%로 급감하면서 점차 역사의 뒤안길로 사라질 준비를 하고 있다. 유망기술인 n형 후면전극(BC) 모듈과 HJT 모듈은 각각 4%와 1%의 시장 점유율을 기록하며 활성화에는 좀 더 시간이 필요할 것으로 보인다. 공급되는 태양전지 모양의 변화를 반영해 M10R 직사각형 웨이퍼 기반 모듈 출하량이 급증했는데, p형 PERC 및 n형 TOPCon 모듈 출하량의 64%를 차지했다.

태양광 주류 기술이 p형 PERC에서 n형 TOPCon으로 변화하면서 특허침해소송의 양상도 변화하고 있다. 중국의 주요 태양광 모듈 제조업체가 유럽 통합특허법원(UPC)에서 경쟁 모듈 제조업체를 상대로 특허침해소송을 제기했다. 중국의 JA솔라는 2건의 유럽 등록 특허(EP2787541 B1과 EP 4092759 B1)로 중국의 친트(Chint New Energy Technology)와 자회사 아스트로너지(Astronergy(유럽, 네덜란드 및 독일 법인 포함)) 상대로 특허침해소송을 제기했다.

놀랍게도 2건의 등록 특허 모두 동기술의 퍼스트 무버(first mover)라고 할 수 있는 국내 LG전자가 발명한 특허이다. LG전자가 2022년 태양광 사업에서 철수 후에 JA솔라가 특허를 매입해 특허침해소송을 벌이는 상황이어서 우리에게는 참으로 씁쓸한 현실이 아닐 수 없다. 최근 중국 기업간 특허침해소송 제기는 글로벌 공급과잉 사태로 중국 정부가 구조조정의 칼을 뽑기 전에 기업들이 먼저 반응한 사전작업으로도 분석된다.

n형 TOPCon 태양광 기술에 관한 국제 특허소송이 최근 빈번하게 일어나고 있는데, 2023년 4월에는 미국 선파워(SunPower Corporation)의 분사 기업인 싱가포르 본사의 미중합작 맥슨(Maxeon Solar Technologies)이 국내 한화큐셀과 중국의 캐나디안솔라(Canadian Solar), 싱가포르의 REC솔라(REC Solar Holdings)를 상대로 n형 TOPCon 기술 특허침해소송을 제기했다. 2024년 5월에는 중국 트리나솔라가 중국 루에너지(Runergy)와 캐나디안솔라를 상대로 n형 TOPCon 기술에 대한 특허침해소송을 제기했다. 2024년 7월에는 미국의 퍼스트솔라가 2013년에 테트라선(TetraSun) 인수 시 획득한 n형 TOPCon 태양전지 특허를 가지고 다수의 제조업체에 대해서 특허침해조사를 착수했다고 발표했다.

#2. 우드 맥킨지, 2023년 글로벌 태양광 인버터 출하량 순위 발표… TOP10에 中 9개사 포진

모듈뿐만 아니라 태양광 인버터 산업에서도 중국 기업들이 차지하는 비중이 높았다. 우드 맥킨지(Wood Mackenzie)의 최신 보고서(Global solar PV inverter and module-level power electronics (MLPE) market share 2024)에 따르면, 2023년 글로벌 태양광 인버터 출하량은 536GW(AC)를 기록하며 전년 343GW(AC) 대비 56% 증가했다.

압도적인 신규설치용량을 보여준 중국이 인버터 시장의 50%를 차지했다. 유틸리티 규모 태양광을 주도한 부동의 1위 화웨이와 부동의 2위 선그로우가 50% 이상의 글로벌 시장 점유율을 여전히 차지했으나, 10GW 이상 출하량을 기록한 인버터 제조업체가 11개로 증가하며 다각화가 이루어지고 있음을 보여주었다. 그 결과, 상위 10위 기업(TOP10)의 시장 점유율이 81%로 전년 86%에서 소폭 하락했다. 그러나 상위 10개 기업 중 중국 기업이 9개로, 전년 8개에서 증가하며 중국 의존도가 더욱 심해지고 있다.

북미와 유럽에서는 태양광 인버터 시장이 두 자릿수 성장을 보여주었지만, 주로 유틸리티 규모 부문에 집중되었다. 주택용 인버터의 경우에는 2022년 이후 공급과잉으로 인해 수요가 둔화하며 재고가 누적되었다. 센트럴 인버터 제조업체인 선그로우와 스페인의 파워 일렉트로닉스(Power Electronics)가 미국 시장을 주도했다. 유럽에서는 화웨이, 선그로우, 독일의 SMA가 스트링 인버터 출하량을 독점했다.

#3. 美상원의원, 中 태양광 업체에 IRA 제조 지원금 지급거부 법안발의… 무역갈등 심화

미국 민주당 소속 조지아주 존 오소프, 오하이오주 셰로드 브라운, 공화당 소속 루이지애나주 빌 캐시디, 플로리다주 릭 스콧 등 4명의 상원의원은 ‘미국 태양광 제조를 위한 미국 세금 법안’이라는 제목의 새로운 법안을 발의했다. 해당 법안은 중국, 북한, 러시아 등 우려 대상으로 분류된 모든 국가에서 생산된 제품을 활용하는 업체가 미국 세법 규정 45X에 해당하는 첨단제조생산세액공제(AMPC)를 받는 것을 금지한다.

IRA 섹션 45X 세액공제는 미국 태양광 프로젝트를 위해 생산된 태양광 모듈, 태양전지, 웨이퍼, 태양광 폴리실리콘, 폴리머 백시트와 태양광 추적장치의 토크 튜브, 구조적 패스너등 부품을 포함한다. IRA 출범 이후 여러 중국업체가 미국에서의 제조계획을 발표했는데, 이 법안이 통과되면 큰 타격이 예상된다. 중국 Ningbo Boway Alloy Materials의 미국 태양광 사업부 Boviet은 각각 2GW 규모의 n형 TOPCon 태양전지와 모듈 생산라인에 투자 예정이다. 론지는 미국의 인베너지(Invenergy)와 협력해 미국에 5GW 규모 모듈 공장을 건설 중이고, 트리나솔라는 텍사스주에 5GW 규모 모듈 공장 건설을 계획하고 있다.

설상가상으로 지난 40년간 글로벌 태양광 산업에서 강력한 이름이었던 미국의 선파워가 결국 파산선언을 하면서 미국과 중국의 태양광 무역갈등은 더욱 격해질 전망이다. 실제로 미국 태양광 제조 무역위원회(AASMTC) 산하 7개 모듈 제조업체(퍼스트솔라, 한화큐셀, 메이어 버거(Meyer Burger), 미션솔라(Mission Solar), REC실리콘(REC Silicon), 콘발트(Convalt), 스위프트솔라(Swift Solar))는 와일리 레인(Wiley Rein) 로펌을 통해 미국 상무부에 신규 청원서를 제기했다.

이들이 AASMTC을 통해서 미국 상무부에 지난 4월 제기한 반덤핑 및 상계관세(AD/CVD) 조사 청원서 이후 베트남과 태국으로부터의 모듈 수입이 증가했다고 주장하면서 제출 이후 이 두 나라에서 수입된 모든 모듈에 대한 중대한 상황이라며 소급 관세 부과를 신청했다. 4월 AD/CVD 조치로 인해 태국과 베트남에서 운영되는 여러 중국 기반 기업이 임박한 관세를 회피하기 위해 미국 태양광 수출을 가속화했다는 증거로, 2분기에 베트남과 태국에서 수입된 모듈은 1분기 대비 각각 17%와 39% 증가해 전체적으로 증가한 모듈 용량은 2.6GW에 달한다는 자료를 제출했다. 자료의 신빙성에 대해서는 추후 검토가 필요해 보인다.

한편, 조 바이든 미국 대통령은 무역법 201조의 수입 태양전지에 대한 관세율 할당량(TRQ)을 연간 5GW에서 12.5GW로 확대한다고 발표했다. 이 조치는 2024년 8월 1일 이후 수입되는 태양전지에 적용되는 반면, 8월 1일 이전에 기존 5GW 한도를 초과하는 수입 태양전지에는 201조 관세가 부과된다. 현재 미국은 자체 태양전지 공급이 거의 없기에 모듈 생산을 위한 태양전지를 전적으로 수입에 의존하고 있다. 따라서, 안정적인 제조를 위해 태양전지 접근성을 개선하려는 의도의 결정이라고 할 수 있다.

무역법 201조에 대한 관세는 2018년 도널드 트럼프 전 대통령에 의해 시행되었는데, 태양전지에 대한 관세는 연간 0.25%씩 감소해 현재는 14.25%를 유지하고 있으며, 2026년 2월 6일에 만료 예정이다. 미국태양광산업협회(SEIA)는 이번 결정이 미국 내 모듈 생산을 촉진할 것이라고 환영하고 있다.

#4. ‘2024 탠덤 태양전지 특별포럼’ 조기 상용화 위한 R&D 방향성 제시

‘GPVC 2024’에서는 올해부터 특별히 국내 최초의 국제 탠덤 태양전지 워크숍인 탠덤 태양전지 특별포럼(Tandem Solar Cell Special Forum)이 개최돼 최고의 관심을 보였다. 이를 통해 2026년 대전에서 개최 예정인 세계태양광총회(WCPEC-9)의 성공을 위한 핵심 주제의 발굴이라는 값진 소득도 얻었다.

‘2024 탠덤 태양전지 특별포럼’에서는 국내외 전문가들이 체감온도 40도에 육박하던 날씨가 무색할 정도로 뜨거운 발표와 토론이 이어졌다. 탠덤 태양전지의 초기효율은 이미 35%에 근접한 모습이었고, 탠덤 태양전지의 가능성은 충분히 엿볼 수 있었다. 특별포럼 결과, 상용화를 위해서는 R&D 지원이 중요하다는 결론에 도달했다. 이를 위한 중점 추진 방향으로는 △효율(efficiency) 개선 △장수명(reliability) 확보 △규모 확대(scale-up)가 제시되었다. 다음은 초청 연사들의 발표내용 요약이다.

[사우디 KAUST] 기조연설로 최근 Science에 게재한 초기효율 33.7%(면적 1cm²) 페로브스카이트-HJT 탠덤 태양전지를 개발하기까지의 연구 과정 소개

탠덤 태양전지의 효율 개선을 위해서는 상부셀의 결정성과 균일도를 개선할 필요가 있다. 이에 페로브스카이트 전구체 용액에 이염화메틸렌디암모늄(dimethylammonium, DMA)을 첨가해 형성된 테트라히드로트리아지늄(THTZ-H+)을 페로브스카이트 격자에 결합해 박막 결정화를 추진한다. THTZ-H+ 양이온의 순환적 특성은 요오드화물과 다중의 수소결합 형성을 통해 페로브스카이트 격자의 납 팔면체와 강력한 상호작용이 가능하다. 그 밖에 탠덤 태양전지 봉지 후, 옥외 실환경에서의 1년간 실증 시험결과도 소개했다. 페로브스카이트-페로브스카이트-HJT 삼중접합 태양전지의 경우, 초기효율 26.2%(면적 1cm²)를 달성했다.

[스위스 로잔공대 CSEM] General Plenary 강연으로 n형 TOPCon, HJT 등 결정질 실리콘 태양전지 및 페로브스카이트-HJT 탠덤 태양전지 기술개발 성과 발표

2022년에 탠덤 태양전지 초기효율 31.3%(면적 1cm²)를 달성해 세계 최초로 30%의 벽을 돌파했고, 현재는 초기효율 32.9%(면적 1cm²)까지 달성했다. 탠덤 태양전지 면적을 60cm²로 확장하면 상부셀의 균일도 저하로 초기효율이 29.4%로 감소한다. 상용화를 위해 고체원료 승화를 통한 고속 증착 건식 진공 공정도 개발했다.

탠덤 태양전지의 장기신뢰성 테스트로 고온·고습시험(damp heat test) 1,000시간과 온도사이클(thermal cycle) 200회 시험을 통과했으나 광조사 시험 등에서 여전히 불안정한 특성을 보이는데 주요 원인 중 하나로 고속으로 이동하는 고농도의 모바일 이온을 지적했다. 하부셀로 후면전극 태양전지를 적용해 전류정합(current matching) 설계에서 자유로운 3단자(3T) 탠덤 태양전지도 개발해 실증도 진행 중이다.

[독일 Oxford PV] M6 대면적(258cm²) 페로브스카이트-HJT 탠덤 태양전지 세계 최고 초기효율 28.6%와 이를 적용한 상용면적(1.7m²) 탠덤 모듈 초기효율 26.9% 달성

장수명 확보를 위해 소재·공정 등의 빅데이터 모델을 기반으로 최적화 연구를 수행 중이며, M6 대면적 탠덤 태양전지로 IEC61215 국제표준의 고온·고습시험 2,000시간, 온도사이클 600회, PID 96시간, 15kWh/m² UV 조사시험을 통과했다. 봉지된 M6 대면적 탠덤 태양전지와 단면형 및 양면형 탠덤 모듈을 독일에서 6~12개월 옥외 환경에서 실증연구를 수행했는데, 탠덤 태양전지의 계절별 옥외 특성이 HJT 하부셀의 계절별 옥외 특성과 매우 유사하다.

[영국 옥스퍼드 대학] 효율과 안정성이 개선된 페로브스카이트 결정성 향상 방안

습식 용액 공정에서는 DMA 첨가제(additive) 등을 적용해 결정 형성 중 할라이드의 상분리(phase segregation) 최소화가 필요하다. 공식 진공 공정에서는 결정을 균일하게 성장시킬 수 있는 계면(interaface) 형성이 중요하다.

[영국 킹스칼리지] 페로브스카이트 상부셀을 위한 건식 진공 공정인 진공증발법(evaporation 또는 PVD) 소개

초기효율 19.2%를 달성했으며, 진공증발법으로만 제작한 올 페로브스카이트 삼중접합 태양전지를 개발 중이다.

[독일 한화큐셀 연구소] 한화큐셀의 대면적 p형 PERC 및 n형 TOPCon 태양전지 핵심 기술개발 소개

n형 TOPCon 태양전지의 경우에는 레이저 적용 컨택 최적화(LECO) 기술을 적용해 유효면적 모듈 효율 24%를 달성했다. ‘페로브스카이트-TOPCon 탠덤 태양전지’ 개발 비전도 발표했다.

[독일 프라운호퍼 CSP 연구소] 고해상도 현미경 이미지 등을 활용해 나노 스케일의 탠덤 태양전지 구조와 소자 특성의 연관성 분석

투과전자현미경(TEM)-그리드에 탠덤 구조를 직접 증착하며 이미지 분석해 페로브스카이트 결정 형성과정 진단, 터널(tunnel) 접합의 SIMS 프로파일, STEM-EDX 성분 분석, 증착 중 XPS 분석을 통한 박막의 두께 균일도 분석 등 수행

[독일 베를린공대(HZB)] 다양한 탠덤 태양전지 개발 성과 발표

2022년 페로브스카이트-HJT 탠덤 태양전지 초기효율 32.5%(면적 1cm²)를 달성했다. 한화큐셀과 EU 지원 PEPERONI 프로젝트를 진행하며, 상용화를 위한 대면적 건식 진공 공정 요철구조 페로브스카이트-HJT 탠덤 태양전지를 개발 중이다. 페로브스카이트-CIGS 탠덤 태양전지를 개발해 초기효율 24.2%(면적 1cm²)를 달성했으며, 관련 유럽 Horizon 프로그램의 SOLMATES 프로젝트를 수행 중이다. 한국에너지기술연구원의 플렉서블 CIGS 태양전지를 적용해 페로브스카이트-CIGS 탠덤 태양전지를 제작해 옥외 실증 시험 진행 중이다.

[한화솔루션] 정부 과제로 수행했던 대면적 탠덤 태양전지 연구성과 발표

대면적(260cm²) 페로브스카이트-TOPCon 탠덤 태양전지 초기효율 26% 이상을 달성했으며, 현재 충청북도 진천에 40MW 규모 파일럿라인을 구축 중이다. 구축이 완료되면, 본격적으로 상용면적 탠덤 모듈을 제작해 상용화를 위한 제품개발에 전념할 계획이다.

[서울대학교] 탠덤 태양전지 개발 성과 발표

페로브스카이트-HJT 탠덤 태양전지 초기효율 28.4%를 달성했으며, △페로브스카이트-페로브스카이트-HJT 삼중접합 태양전지 △페로브스카이트-CIGS 탠덤 태양전지 △페로브스카이트-CZTS 탠덤 태양전지 등 다양한 방식으로 개발을 시도 중이다.

[충남대학교] 정부 과제로 수행하고 있는 전층 무기 페로브스카이트 상부셀 개발 연구 추진현황 소개

[HD현대에너지솔루션] 정부 과제로 수행하고 있는 n형 HJT 태양전지 및 모듈 양산 고도화 연구 소개, 이를 탠덤 태양전지의 하부셀로 적용해 페로브스카이트-HJT 탠덤 태양전지 개발 착수

 

[한국에너지기술연구원] 정부 과제로 구축한 ‘태양광 기업 공동활용 연구센터’ 소개

면형 페로브스카이트 단일접합 태양전지 초기효율 21.7%(면적 0.07cm²) 달성했으며, 향후 양면형 탠덤 태양전지 개발 등에 적용할 계획이다. 페로브스카이트-CIGS 탠덤 태양전지의 경우에는 초기효율 22.7%(면적 0.16cm²)를 달성했으며, 유럽 호라이즌(Horizon) 프로젝트를 수행 중이다.

[고려대학교] 정부 과제로 수행하고 있는 TOPCon 후면전극(TBC) 태양전지 기술개발과 페로브스카이트-TOPCon 탠덤 태양전지 기술개발 성과 발표

한편, GVPC 2024에서는 탠덤 태양전지 특별포럼 등의 외국인 초청연사를 대상으로 대전시 신동에 구축한 ‘태양광 기업 공동활용 연구센터’ 테크니컬 투어도 진행됐다. 기업들의 소부장 및 차세대 기술개발을 위해 정부 및 지자체 출연금 500억원을 투자해 구축한 100MW 시양산라인을 주관기관인 한국에너지기술연구원에서 안내해 주었다. 현재는 p형 PERC, n형 TOPCon 및 HJT 태양전지 및 모듈라인이 구축돼 있고, 향후 탠덤 태양전지 상부셀 라인이 정부 R&D를 통한 장비개발을 통해서 추가로 구축될 것이라고 설명했다.

필자는 외국인 초청연사들과의 질의·응답시간을 통해 탠덤 태양전지 상용화를 위해서는 국제 협력의 중요성을 강조하며, 좋은 아이디어가 있다면 주저하지 말고 한국에너지기술평가원에 국제공동 R&D 제안서 제출해달라고 당부했다.