[인더스트리뉴스 이건오 기자] 기후위기 대응과 탄소중립 실현을 위한 글로벌 움직임 속에서 태양광 산업은 빠르게 변화하고 있다. 국내 태양광 시장은 급변하는 국제 정세와 기술 혁신의 흐름 속에서 경쟁력 확보를 위한 도전의 시간 앞에 서 있다. 

중국의 공급 과잉으로 인한 모듈 가격 하락, 미국과 중국 간 무역 분쟁, 탄소국경세 등의 변수 속에서 국내 기업들은 고효율 태양전지와 저탄소 모듈 개발을 통해 차별화를 꾀하고 있다. 이러한 변화의 중심에서 한국에너지기술연구원 태양광연구단이 수행하는 연구는 국가 산업 경쟁력 강화와 지속가능한 미래 에너지 확보에 중요한 밑거름이 되고 있다. 

본지는 에너지연 곽지혜 태양광연구단 단장을 만나 국내 태양광 기술의 현주소와 미래 전략에 대해 이야기를 나눴다. 함께한 인터뷰 자리에는 태양광연구단 어영주 책임연구원과 배수현 선임연구원이 동석했다.

최근 국내 태양광 셀, 모듈 연구개발 동향은?

국내 태양광 셀과 모듈 연구는 고효율화 및 차세대 기술 상용화에 집중하고 있으며, 그 중심에는 시장의 98%를 점유하고 있는 실리콘 태양전지 기술이 있다. 

2년 전 50% 이상 시장을 차지하던 PERC 셀 점유율이 38%로 하락한 반면, TOPCon 셀은 24%에서 38%로 급등해 고급 n형 셀이 시장의 주류로 자리 잡았다. HJT는 17%로 2년간 안정적 점유율을 유지했고, IBC는 9%에서 7%로 점유율이 소폭 하락했다. 

한화솔루션, 현대에너지솔루션 등 국내 기업들이 양산에 투자 중인 TOPCon 셀을 비롯해 고효율 프리미엄 실리콘 태양전지인 HJT 및 IBC 기술은, 초고효율 탠덤 태양전지의 하부셀을 위해서도 주목받는다. 현재 1cm² 내외 소면적 크기에서 달성된 페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀 최고효율은 LONGi의 34.6%(2024년 6월)다. 

한화솔루션은 M10 규격 대면적 탠덤 셀에서 28.6%로 세계 최고 효율을 기록했으며, 독일 프라운호퍼 태양에너지연구소(Fraunhofer ISE)에서 인증받았다. TOPCon, HJT, IBC 등 고도의 실리콘 하부셀 기술을 보유해야만 페로브스카이트 상부셀을 접목해 차세대 탠덤 셀 초고효율화가 가능하다. 정부는 ‘초고효율 탠덤 태양전지 조기 상용화’를 포함한 제5차 에너지기술개발계획을 발표하고 기술로드맵을 마련 중이다.

현재 국내 태양광 모듈 연구의 핵심 목표는 무엇인가?

국내 태양광 모듈 연구의 핵심은 △고출력 △다변화 △저탄소의 키워드로 정리할 수 있다.

먼저 M12 실리콘 웨이퍼 기반의 n-TOPCon 및 n-HJT 구조 설계와 공정 기술 최적화를 통해 700W 이상의 고출력을 달성하고, 신뢰성과 양산성을 확보하는 것이다. M10과 M12 웨이퍼를 활용해 더 큰 면적에서 전력을 생산함과 더불어 하프컷, MBB, 인터커넥션 기술로 셀 간 저항을 줄이며 전류 흐름을 최적화한다. 또한, 양면수광형(Bifacial) 모듈을 통해 후면에서도 발전량을 극대화하는 방향으로 연구가 진행된다. 

또한, 영농형, 수상, 건물, 차량 등 다양한 사용처에 맞춘 맞춤형 모듈 기술이 개발되고 있으며 경제성, 내구성, 신뢰성 확보가 공통된 목표로 자리잡고 있다. 아울러 신소재인 페로브스카이트 상부셀을 접목한 탠덤 태양전지 모듈의 상용화를 위해 내구성과 신뢰성 확보가 시급하다. 

태양광 모듈 생산 과정에서 탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 공정 개발도 필수적이다. 재활용 가능 소재를 활용한 저탄소 모듈 개발은 글로벌 시장 경쟁력 강화를 위한 핵심이다. 제5차 에너지기술개발 로드맵의 주요 목표로는 초고효율 탠덤 태양전지 상용화, 발전단가 0.03달러/kWh 이하의 태양광 시스템 개발, 태양광 O&M 표준화 기술 개발, 전주기 탄소배출 최소화 등이 제시됐다.

태양광연구단의 태양광 모듈 연구 주요 성과와 협업 사항은?

한국에너지기술연구원 태양광연구단은 태양광기업공동활용연구센터(CAST)를 대전 국제과학비즈니스벨트 신동 지구에 설립해 고효율 태양전지 양산기술 개발을 지원하고 있다. 

센터는 50MW급 태양전지 제조라인과 100MW급 대면적 태양광 모듈 파일롯 제조라인을 갖추고 있으며, 셀·모듈 제조, 신뢰성 평가, 소부장(소재·부품·장비)을 아우르는 공급망 관련 기술까지 전 부문에서 연구가 가능하다. 특히, 한화솔루션의 국산 최고·최대 사양의 고출력 모듈 제조 턴키 장비를 활용해 M12 PERC 셀 기반 660W 이상의 고출력 모듈 제조로 개발 장비의 양산성을 검증했다.

연구원은 산업부와 한국에너지기술평가원(KETEP)이 지원하는 ‘탄소배출이 적고 재활용이 용이한 태양광 모듈 소재 및 공정 기술 개발’(총괄책임자 어영주 박사) 과제를 수행 중이며, 475kg CO2-eq/kWp 이하의 탄소배출 목표를 설정하고 저탄소 에너지원 활용, 소재 절감, 친환경 와이어 소재 적용, 재활용 가능한 모듈 제작 기술 개발을 진행하고 있다. 협력 기관으로는 한국전자기술연구원, 한국생산기술연구원, 충북테크노파크, 한양대학교, 경상국립대, 원광에스앤티, 신성이엔지 등이 협력한다.

태양전지를 수입해 고부가가치의 모듈을 개발·생산하는 기업들의 경우에는 원소재(폴리실리콘, 잉곳, 웨이퍼, 셀 등)에서 탄소 배출을 줄이기 어려우므로 모듈에서 그 방법을 찾아내는데 주력한다. 모듈 효율 극대화, 무연(Pb-free) 친환경 와이어 소재 적용, 유리·알루미늄 프레임 두께 감소(소재 절감) 및 대체 소재 적용 등의 연구가 수행 중이며, 전주기(lifecycle) 관점에서 저탄소 배출 및 자원 순환을 위해 재활용이 용이한 방향으로 모듈을 제작하고, 모듈 소재(유리, 프레임), 유가 소재(은, 구리), 실리콘 소재 등을 효율적으로 재활용하는 기술도 개발 중이다. 

박형 고출력 HJT 태양전지를 활용한 모듈 제조기술, 셀 집적화 공정기술, 스틸 프레임 적용 패키징 기술, 상용 모듈의 전주기분석 기반 탄소배출량 평가 기술 등을 개발하고 목표 달성을 위해 협업하고 있다.

글로벌 태양광 모듈 연구개발 트렌드와 국내 연구개발 방향의 차이가 있나? 아울러 국제 연구기관과의 교류 내용이나 성과는?

국내 태양광 연구개발은 고출력화, 비용 절감, 신뢰성 향상, 다양한 응용 분야 확대에 중점을 두고 글로벌 트렌드와 국내 산업 및 정책적 특성에 맞춰 진행된다. 

국내 기업은 신기술에 대한 모험적 투자에 부담이 크므로, 스스로 양산성을 검증한 후 연구개발과 설비 투자를 하려면 적기를 놓치기 쉽다. 정부가 연구과제로 공모 중인 HJT 및 탠덤 태양전지 모듈을 위한 제로버스바(0BB), 다운컨버전 봉지재 기술 개발 등은 차세대 기술의 양산성 검증으로 우리 기업들이 조기 대응할 수 있도록 돕기 위한 것이다. 탠덤 태양전지 및 모듈 기술 개발을 선제적으로 수행하면서 양산성 있는 요소기술의 경쟁력을 적기에 확보해 시장을 선도할 수 있도록 국내 연구개발 추진을 도모하고 있다.

글로벌 트렌드는 TOPCon, HJT, IBC 등 고효율 n형 프리미엄 셀 사용, M10 및 M12 셀 사용 증가, 모듈 CTM 손실 최소화 설계 등으로 고출력을 추구하고 있으며, 0BB 셀 기술은 은(Ag) 소모량 최소화와 출력 증대가 가능해 주목받고 있다. 그러나 0BB 셀 기반 모듈 생산에는 추가 설비 투자가 필요해 국산화 및 지식재산권 확보가 중요한 상황이다. 

에너지연은 탠덤 태양전지 효율측정 기술을 국산화하고, 스위스 CSEM, 미국 NREL, 일본 AIST와의 협력 연구를 통해 탠덤 셀 성능평가 기술을 확보했다. 또한, 탠덤 태양전지의 조기 상용화를 위한 실증, 표준화, 측정·평가 기술 개발을 진행하며, NREL과는 지난해 공동워크숍을 개최한 이래 올 1월 MOU를 맺고 더욱 긴밀한 협력을 논의 중이다. 

아울러 독일 헬름홀츠 율리히 연구소(FZJ)와 헬름홀츠 베를린 재료에너지 연구소(HZB)뿐만 아니라 프라운호퍼 연구소와도 2024년 MOU를 맺고 탠덤 태양전지 기술혁신을 위한 협력을 도모하고 있다.

시장의 98%를 점유하고 있는 결정질 실리콘 외의 시장이지만 설치 형태나 신시장 수요를 겨냥해 설치 형태나 위치 제약 극복을 위한 유연 박막 태양광 모듈도 연구하고 있다. 현재 유연 박막 탠덤 셀 중 세계 최고효율인 23.64%의 효율을 달성했다. 독일 HZB, 네덜란드 TNO 등과 호라이즌 유럽(Horizon Europe) 컨소시엄을 통해 협력 중이다.

지난해부터 IEA 산하 태양광 연구개발 기술협력 프로그램(PVPS) 운영위원(ExCo)으로 활동 중으로, 국내외 연구개발 동향과 이슈들을 살피고 국제 교류와 협력 도모에 기여하고자 한다.

태양광 모듈 재활용, 이력관리 등 다양한 연구도 이뤄지고 있다. 이에 대한 의견은?

태양광 모듈 재활용과 이력 관리는 환경뿐만 아니라 지속가능한 산업 발전을 위해 매우 중요한 사업이다. 2010년대부터 국내외에서 태양광 모듈의 유용 자원 회수를 위한 연구가 진행됐으며, 에너지연은 2016년부터 ‘결정질 실리콘 태양광 폐모듈의 저비용/고효율 재활용 공정시스템 및 소재화 공정기술 개발’ 과제를 통해 주요자원 회수 가능 기술을 개발해 유관 기업에 이전한 바 있다. 초고효율 탠덤 태양광 모듈의 양산화를 고려한 재활용 기술개발도 필요하다. 

2021년, 정부는 충북 진천에 태양광재활용센터를 건립하고, 2023년부터 태양광 폐패널을 EPR에 적용했다. 이를 바탕으로 전주기 이력 관리 기술 개발이 시작됐으며 ‘제조-설치-철거-재제조-재사용-재활용’ 등 단계별 관리를 추진한다.

지난해 ‘태양광 재활용/재사용 체계 구축을 위한 AI 기반 전주기 태양광 모듈 이력 관리 기술개발’ 과제에 착수했다. 이는 해외로부터 재사용·재활용 모듈이 함부로 유입될 수 없도록 우리 산업을 보호하는 방안이기도 하다. AI 기반 이력 관리 기술을 통해 재사용 및 재활용의 신뢰도를 높이고 산업 보호 방안을 강화할 계획이다.

최근 AI 기술이 화두다. AI를 활용한 연구개발 내용이 있나?

태양광 산업에서도 AI 접목이 화두다. 앞서 언급한 재활용 이슈뿐만 아니라 발전소 운영 및 유지보수에도 중요한 역할을 한다. 에너지연은 지난해 9월 ‘AI 기술을 적용한 태양광발전소 운영, 유지보수 및 수명 예지 솔루션’(책임자 고석환 박사)을 개발하고, 이를 유관 기업에 기술이전한 바 있다. 

이 기술은 발전소의 운전 데이터만으로 모듈의 성능 저하를 90% 이상 정확하게 진단할 수 있으며, 고장 종류를 판별하고 원격으로 성능을 관리할 수 있어 접근이 어려운 수상 해상 발전소에서도 무인화가 가능하다. 

또한, AI를 이용해 모듈의 기대수명을 관리하고 리파워링 필요성을 사전에 평가할 수 있다. 이 기술은 폐패널 재활용 사업과 연동돼 노후발전소의 리파워링 시기를 효율적으로 관리하고 재활용 수요를 예측할 수 있다. 

에너지연은 모듈 수명 주기뿐 아니라 모듈 제조 공정에도 Al 기술을 활용해 제조 공정을 혁신하고 양산 효율 증가, 모듈 단가저감을 위한 개발 업무를 수행해 왔다.

제조업 AI 솔루션 기업 임픽스 주관의 ‘AI, 빅데이터 기술 활용 태양광 모듈 제조공정 혁신을 통한 품질관리 최적화’ 과제에서는 AI가 머신비전과 계측 이미지를 통해 품질 예측과 불량 판별을 자동화하는 시스템을 구축했다. 이로써 양산 효율을 높이고 단가를 절감하는 데 기여하고 있다. 

에너지연 태양광연구단은 모듈뿐 아니라 양산성 검증을 위한 태양전지 셀 제조 공정 혁신을 도모하기 위해서도 AI를 활용 중인데, 광학, PL 이미지, 수명주기 등 제조 공정의 주요 계측 데이터를 기반으로 기관 내 ‘에너지AI 계산과학실’과 협업해 관련 연구를 수행 중이다.

위축된 국내 태양광 모듈 제조 산업의 활성화와 경쟁력 강화를 위한 의견은?

초고효율 탠덤 태양전지 혁신 양산기술 개발, 인증 및 표준화 추진, 고부가가치 시장 공략을 위한 고품질 고신뢰성 제품 개발 차별화, 소재 부품 장비 국산화율 향상 및 공급망 안정화, 조기상용화를 위한 전후방 산업의 지원, 내수시장의 꾸준한 확보로 탄소국경세 및 RE100에 대응… 등이 필요하다고 한다. AI의 대답이다. 몇 년간 비슷한 대답을 했더니 AI가 학습했나 보다(웃음).

정부는 지난해 말 제9회 탄소중립기술특위를 개최하고 2022년부터 수립된 탄소중립 17대 핵심기술 분야 전략 로드맵 체계가 완성됐다고 밝혔다. 그 중 첫번째인 태양광 기술에는 초고효율 탠덤 태양전지, 사용처 다변형 태양광, 폐모듈 재사용 재활용 등이 담겨있다. 

제5대 에너지기술개발계획도 부처간 계획간 정합성에 맞는 로드맵을 탄탄하게 만들어 왔다. 에너지 저장이나 전력망 등 태양광 확대를 도울 유관 기술들에 대한 로드맵도 여러 난제를 극복하는 방향으로 수립해 왔다. 부족한 건 계획이 아니라 그에 합당한 정부 정책과 지원이다. 

11차 전력수급기본계획 확정안에 따르면, 2030년까지 연평균 7GW의 태양광, 풍력 설비를 보급해야 한다. 경험 없는 수치이므로 적극적, 체계적, 합리적 노력이 필요하다. 온실가스 감축을 통한 탄소중립 기여도, 시장의 폭발적 성장세, 발전단가의 급격한 하락에 의한 경제성 등 어느 면에서 보나 태양광을 중심에 놓고 에너지 문제를 풀어나가지 않으면 안된다.

정부 기술개발계획과 로드맵만 탄탄한 것이 아니라 잘 만들어 놓은 정책이나 제도도 있다. 태양광을 거기에 담아 연계해야 한다. 무엇보다 과기부 12대 국가전략기술(기술혁신), 기재부 7대 국가전략기술(조세 감면 등 세제 혜택), 산업부 45대 초격차 기술(산업경쟁력 확보)에 태양광을 추가해 국가적 어젠다로 관리하고 그 기여도와 영향력에 합당한 정책적 노력을 기울여야 한다. 

태양광, 풍력 등 재생에너지는 기술의 확보가 자원 안보와 직결되므로 ‘자원안보특별법’과 연계해 CAST를 국가중점 인프라로 지정하고, 구축 취지에 맞게 산학연 개방형 혁신플랫폼으로 활용, 전문가 역량을 결집해 혁신 기술과 공급망 확보를 위한 교두보로 활용해야 한다. 

분산에너지특별법과 연계해 지역 내 공공의 영역에서 정부-지자체-공기업 협력사업으로 태양광 보급을 추진하면, 국산 태양광 모듈 보급 비중을 높이고 내수를 활성화할 수 있다. 단지 분석과 설계부터 계획적으로 추진하면 좀 더 효율적인 지역 내 에너지 수급을 도모하고 수익의 일부는 지역 내 유관산업 활성화 및 공급망 확보에 사용해 지역경제 발전에도 기여하는 선순환 구조를 만들 수 있다. 도시는 도시대로 농어촌은 또 그 나름대로 사용처 다변형 태양광 모듈로 각 지역에 맞는 모범사례를 설계 추진하도록 정부가 지자체-공기업 협력을 정책적으로 도울 수 있지 않을까.

태양광연구단의 향후 사업계획과 목표는?

한국에너지기술연구원 태양광연구단은 CAST를 기반으로 국내외 산학연 전문가들과 협업해 태양광 기술 혁신과 산업경쟁력 강화를 목표로 연구를 수행하고 있다. 

올해 목표는 M6 크기 이상 웨이퍼에서 양면수광 탠덤 태양전지 기대효율 28% 달성이다. 이를 위해 페로브스카이트 상부셀의 안정성과 신뢰성 향상, 건식공정 등 양산 적합한 제조공정 혁신, HJT 및 TOPCon 기반 하부셀 고도화 등을 추진해 탠덤 태양전지 조기 상용화와 글로벌 경쟁력 강화에 나선다.

‘차세대 탠덤 상부셀용 건식공정과 소재를 적용한 MW급 장비 개발’ 과제의 일환으로 한화솔루션이 개발한 건식 장비가 올해 CAST에 설치될 예정이며, 개방형 플랫폼을 통해 기업과의 공동 연구개발을 촉진하고 양산 기술 및 상용화를 지원한다.
국제 협력 및 표준화 활동도 강화한다. 해외 주요 기관과 최신 기술 동향을 공유하고 공동 연구를 추진하며, 글로벌 기술 표준화에 기여하고자 한다. 

또한, 공신력 있는 태양전지 인증 서비스를 제공해 국내 기업들이 제품 신뢰성을 확보하고 해외시장 진출을 원활히 할 수 있도록 지원한다.

태양광연구단은 지속가능한 에너지 미래를 선도하기 위해 기술 및 시장 변화에 기민하게 대응하며 국가 로드맵 정합성에 맞춰 연구개발을 수행할 계획이다.