2015 정보분석보고서 목차 제 1 장. 태양전지의기술진화 1 태양전지의기술진화및 N-type 실리콘태양전지의시장전망 1.1. 실리콘태양전지고효율화기술 2 1.2. 실리콘태양전지효율한계 7 1.3. P-type 상업용실리콘태양전지 9 제 2 장. 고효율태양전지시장동향및전망 12 2.1. 고효율실리콘태양전지시장동향 13 2.2. 고효율실리콘태양전지제조업체현황 19 이정구 (KISTI), 이해석 ( 고려대학교 ) 제 3 장. N-type 실리콘태양전지기술 30 3.1. N-type 실리콘태양전지요소기술 31 제 4 장. 국내태양전지산업현황및전략 43 4.1. 국내태양전지산업및기술개발현황 43 4.2. 국내태양전지기술개발전략 46 제 5 장. 결론 51
제 1 장. 태양전지의기술진화 1.1 실리콘태양전지고효율화기술 태양광세계시장경쟁력확보를위해태양광발전시스템의저가 고성능화 ( 일본 NEDO, 2030년발전단가-7엔 /kwh, 모듈효율-25%, 모듈제조단가-50엔 /W, 모듈수명- 30년 ) 을달성하기위한기술개발경쟁이치열하며, 핵심소자인태양전지도이러한목표를달성하기위한고효율화기술개발이활발히진행되고있다. 그림 1-1는 NREL (National Renewable Energy Laboratory, USA) 에서발표한태양전지종류별효율기록추이를나타낸다. 그림에서보듯이 1세대태양전지인결정질실리콘태양전지의최고효율기록은 25.6% 이며, 2세대태양전지인 CIGS (CuIn xga 1-xSe 2) 박막태양전지 21.7%, CdTe 태양전지 21.5%, 비정질실리콘박막 (amorphous-si) 태양전지 13.6% 이다. 또한, 3세대태양전지인염료감응태양전지 11.9%, 유기태양전지 11.5%, 페로브스카이트태양전지 20.1% 이다. 여기서태양전지를구성하는광흡수층의구조에따라크게 3개의점선으로구분할수있다. 10% 정도의변환효율을가지는태양전지의경우비정질구조를가지고있으며, 20% 정도의변환효율을가지는태양전지광흡수층은다결정구조를가지고있다. 또한 25% 이상의변환효율을가지는태양전지는단결정구조를가지고있다. 이러한분석을통해태양전지종류별이론효율한계를예측할수있으며, 이를극복하기위한기술개발및차세대태양전지 ( 나노등 ) 에대한연구개발계획을수립할수있다. 최근결정질실리콘태양전지의기술개발방향은효율증대및동시에소재개발및생산기술개선을통한원가절감에초점이맞춰져있다. 그림 1-2는실리콘웨이퍼별태양전지시장점유율예측을나타내고있으며, 향후 n-type 웨이퍼기반단결정실리콘태양전지 (n-type mono-crystalline-si) 및고성능 p-type 웨이퍼기반다결정실리콘태양전지 (p-type HP multi-crystalline Si) 의시장점유율이증가할것으로예측된다. 그림 1-3은웨이퍼종류및태양전지구조별효율변화예측을나타내고있다. 현재상업용 p-type 단결정 / 다결정실리콘태양전지는 BSF (Back Surface Field, 단결정효율 : 18-19%, 다결정효율 : 17-18%) 구조이며, 향후 PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) 구조를통해단결정실리콘-20%, 다결정실리콘-19% 이상의고효율을달성할수있을것같다. 또한, 25% 이상의고효율은단결정 n-type 웨이퍼기반후면전극형 (Back Contact) 구조를통해달성할것으로예측하고있다. 이러한고효율태양전지의주요특성은 표면및후면전극부근에서의캐리어재결합을방지하기위하여 passivation 층을형성하거나, 빛흡수를극대화하기위해전후면전극을모두뒷면에형성시킨구조를가지고있다. 캐리어손실을줄이기위한 passivation 기술은현재상업용태양전지인 BSF 셀의전후면 recombination current 200fA/cm 2 을 100fA/cm 2 으로줄여고효율화를달성할수있다. [ 그림 1-4] 출처 : NREL Research Cell Efficiency Records, June 2015. 그림 1-1. 태양전지종류별효율기록추이 출처 : ITRPV.net, 2014. 그림 1-2. 웨이퍼별태양전지시장점유율예측 - 1 - - 2 -
출처 : ITRPV_Berlin 그림 1-4. High efficiency vs. Recombination current 또한, 고면저항에미터형성기술개발을통해전면표면재결합을줄일수있으며셀의고효율화를달성할수있다. 최근고면저항용전극페이스트의개발로인해에미터면저항 100 / 까지는상용화가능한 Fill Factor( 상용셀의 FF: 0.78~0.82) 값을보인다. [ 그림 1-5] (a) 출처 : ITRPV.net, 2015. (b) 출처 : AMAT presentations 그림 1-3. 웨이퍼종류및태양전지구조별효율변화예측 출처 : ITRPV_Berlin 그림 1-5. High efficiency vs. emitter sheet resistance - 3 - - 4 -
PERC 구조는후면전극을개선하여개방전압및단락전류특성을향상시키고자고안된구조로산화막을후면전극과실리콘기판사이에증착하여 passivation 특성을향상시키며, 일부산화막을제거하여 rear contact ( 후면전극 ) 을형성한다. 또한후면전극 / 산화막구조에의해후면빛반사를향상시킬수있다. Back Contact 구조는 n-type 기판을사용하며, 후면에음극과양극을모두형성시킨구조이다. 전면과후면은산화막으로 passivation 하며, 국부적으로 n + /p + 영역을형성한다. [ 그림 1-6] 현재 6인치 n-type 상업용실리콘태양전지의경우 LG전자에서 22% 효율의 n-type bifacial 태양전지를생산하고있으며, 고성능 6인치 p-type 상업용다결정태양전지의경우한화에서 19% 효율의태양전지를생산하고있다. 향후 25% 이상의고효율태양전지상업화를위해 n-type 웨이퍼기반실리콘태양전지의연구개발이더욱더활발히이루어질것같으며, n-type 실리콘태양전지의특징및개발이슈는아래와같다. ( 상 ) 광열화현상이없음 금속불순물에대한높은저항성 이슈 (1) Boron rich layer 제거기술 이슈 (2) Boron 이온주입시결함발생 이슈 (3) 음의고정전하를띄는새로운패시베이션층개발 이슈 (4) Boron Emitter 접촉새로운전극소재개발 이슈 (5) N-type 웨이퍼의 PID (Potential Induced Degradation) 현상 ( 하 ) 그림 1-6. ( 상 ) PERC 구조태양전지, ( 하 ) Back Contact 구조태양전지 이와같이, 태양광발전시장에서의고성능 저가화요구에맞춰핵심소자인태양전지의고효율화기술개발은지속적으로진행될것이며, 전통적인가정용및 Utility 시장의경우실리콘웨이퍼를기반으로하는실리콘태양전지가주도할것으로예측되며, 박막태양전지의경우새로운시장으로웨어러블디바이스및 BIPV (Building Integrated Photovoltaic System) 를통해시장확대가점진적으로이루어질것으로예측된다. - 5 - - 6 -
1.2 실리콘태양전지효율한계 그림 1-7은 shockley-queisser limit를고려한태양전지의이론최고효율을나타낸다. 단일접합태양전지에서밴드갭을고려한최고효율은약 33% (AM1.5) 이다. 여기서 low bandgap 에너지에서의 높은 thermalization 손실및 high bandgap 에너지에서의 높은 non-absorption 손실이 50% 이상의 power 손실을차지한다. 여기에 Auger recombination ( 재결합 ) 을포함하면실리콘태양전지의이론효율은약 29.4% 이며, 현재개발된실리콘태양전지최고효율은 25.6% 로이론효율의 85% 이상까지도달하고있다. (b) 출처 : "2014 Silicon Workshop, Korea University" 그림 1-7. (a) Maximum efficiency as function of bandgap (b) Maximum efficiency including Auger recombination 이러한이론효율을뛰어넘기위하여광을조절하는 Up-conversion, Beam splitting 등의기술개발이진행중에있으며, 또한 bottom 셀로실리콘태양전지를활용하는 Tandem cell [ 그림 1-8] 에대한연구가진행중에있다. Top 셀로는실리콘태양전지보다 bandgap 에너지가큰 Perovskite 셀및 3-5족화합물셀등이개발되고있다. (a) (a) - 7 - - 8 -
(b) 그림 1-8. (a) Silicon Solar Cells, (b) Tandem Solar Cells ( 상 ) 1.3 P-type 상업용실리콘태양전지 현재시장의대부분을점유하고있는상업용태양전지는 p-type 웨이퍼를기반으 로하는실리콘태양전지이다. 그림 1-9 는상업용 p-type 실리콘태양전지의구조 및제조공정을나타내며, 요소기술은다음과같다. 빛흡수를극대화하기위한웨이퍼표면의 texturing N-emitter를형성하기위한인 (Phosphorus) 도핑 ƒ PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을이용한전면반사방지막 SiNx 증착 스크린프린팅 (screen printing) 방법을이용한전 후면전극형성 전면전극으로 Ag 를사용하며, 열처리공정을통하여반사방지막을식각한후 n-emitter 와접촉한다. 또한, 후면전극으로 Al 을사용하며, 열처리공정후 p 웨이 퍼와접촉하여계면에 p+ BSF (Back Surface Field) 층을형성하면서접촉한다. ( 하 ) 그림 1-9. ( 상 ) 상업용 p-type 실리콘태양전지구조, ( 하 ) 제조공정 - 9 - - 10 -
표 1-1 은이러한요소기술들에있어서공정변수에따른태양전지특성변화를 나타낸다. 표 1-1. 상업용 p-type 실리콘태양전지공정변수에따른셀특성 제 2 장. 고효율태양전지시장동향및전망 `15 년이후고성능다결정및 N-type 웨이퍼기반단결정실리콘태양전지확대 2014년전세계태양광발전설치량은약 48 GW 로 2013년대비 25% 이상성장하였으며, 2020년에는연간태양광발전설치량이 100 GW를넘어설것으로예측하고있다. [ 그림 2-1] 또한, 태양광시장은점진적으로유럽시장이줄어들고있으며, 중국을중심으로아시아시장은확대되고있음을알수있다. 그림 2-2을보면태양광발전은 Rooftop 시장이 Utility-scale 시장보다훨씬크다는것을알수있으며, 이러한트렌드로인해작은면적에서많은전기를발생시킬수있는고효율태양전지제품에대한수요가증가할것으로예측하고있다. 출처 : Global Market Outlook for PV 2014-2018, EPIA, *Bloomburg new energy finance 그림 2-1. 전세계연간태양광발전설치량 - 11 - - 12 -
향후결정질실리콘태양전지의시장주도현상은지속될것으로예상되며, 신규업체의진입보다기존업체가생산량을늘리는트렌드가지속될것으로예상하고있다. 그림 2-4는국가별결정질실리콘 (c-si) 모듈생산현황및전망을나타낸다. 태양광산업은수요시장 [ 그림 2-1] 과공급이모두아시아가중심이되고있다는것을알수있으며, 특히 2018년에는중국의생산규모가전체시장의 60% 이상을차지할것으로예측된다. 출처 : Global Market Outlook for PV 2014-2018, EPIA 그림 2-2. 태양광 Rooftop 시장및 Utility 시장예측 2.1 고효율실리콘태양전지시장동향 현재상업용태양전지는단결정및다결정실리콘기판을이용하여만든결정질실리콘태양전지가전체태양전지시장의 90% 이상을점유하고있다. [ 그림 2-3] 현재저가의 p-type 다결정실리콘이시장을주도하고있으며, 점차적으로단결정실리콘시장의비율이증가할것으로전망되며, 특히 n-type 단결정실리콘이이러한트렌드를이끌것으로기대한다. 출처 : Solarbuzz 2014 그림 2-4. 국가별결정질실리콘 (c-si) 모듈생산현황및전망 출처 : NPD Solarbuzz 2014 그림 2-3. 태양전지종류별시장점유율 (%) 전통적으로대표격인고효율결정질실리콘태양전지는 Sunpower의 IBC (Interdigitated Back Contact) 와 Sanyo의 HIT(Hetero-junction with Intrinsic Thin-Layer) 태양전지가있으며이들은일반결정질실리콘태양전지에비해효율이 3~4% 이상월등히높지만고가의공정기술및웨이퍼 (5-inch n-type) 가필요하여 40% 이상이비싸면서최근과같이저가격으로형성된태양광시장에서큰호응을얻기가쉽지않은상황이다. [ 그림 2 5] 하지만, LG전자의경우 6인치 n-type 웨이퍼를기반으로하는 bifacial( 양면수광형 ) 태양전지 ( 변환효율 21.5~22.0%) 를개발하여상용화에성공하였으며, 이태양전지는 IBC/HIT 셀대비제조단가가저렴하여시장에서의점유율을확대하고있다. - 13 - - 14 -
[ 그림 2-6], [ 표 2-1] 은 n-type 웨이퍼기반 Bifacial 태양전지를연구하고있는 기관들의개발현황을나타낸다. ( 상 ) 그림 2-6. N-bifacial 태양전지 표 2-1. 주요기관의 n-type bifacial 태양전지연구개발현황 출처 : [1] Process optimization of Single Step inkjet printed front contacts for industrially fabricated solar cells leads to ( 하 ) 그림 2-5. ( 상 ) HIT 태양전지, ( 하 ) IBC 태양전지 an efficiency gain of 0.3%abs with consumption of less than 60mg silver, R. Jesswein, 2013 EUPVSEC [2] Dielectric passivation schemes for high efficiency n-type c-si solar cells, D.S saynova, 2013 EUPVSEC [3] n-type high efficiency bifacial silicon solar cell with the extremely high bifaciality of 96% in average fabricated by using conventional diffusion method, S.Gonsui, 2013 EUPVSEC [4] 20.5% efficiency on large area n-type PERT cells by ion implantation, A. Lanterne, Silicon PV 2014 [5] Bifacial n-type solar cell with selective boron emitter, Alexander Edler, 2013 EUPVSEC [6] Development of high efficiency npert bifacial solar cells, Chi-Chun Li, Silicon PV 2014 &npv-workshop - 15 - - 16 -
최근 Fraunhofer ISE 에서는 tunneling oxide를적용한 passivated contact 구조 (TOPCon, Tunnel Oxide Passivated Contact) 를제안하였다. [ 그림 2-7] 2nm 이하의 tunneling oxide의주입을통하여캐리어를선택적으로수집하고재결합속도를낮춰높은개방전압을얻을수있다. 또한생성된캐리어는최소이동경로인수직방향확산을통하여전극에도달하기때문에높은 FF 값을가질수있다. 그림 2-8은 TOPCon 셀구조에따른 Jo 값의변화를나타낸다. 최근 24.9% 고효율 (Voc-719mV, Jsc-41.5mA/cm 2, FF-83.4%) 을달성하여보고한바있다. Silevo 에서는전 후면에 tunnel oxide 층을삽입한구조로 [ 그림 2-9], Cu 전극을사용하여최근 23.1% 고효율 (Voc-739mV, Jsc-38.9mA/cm 2, FF-80.5%) 을달성하여보고하였다. 위 Fraunhofer의 TOPCon 셀과비교하면개방전압값이우수함을알수있으며, 이결과는전 후면에삽입한 tunnel oxide 층의영향으로판단된다. 출처 : 5th Silicon PV 2015 그림 2-7. N-type Tunnel Oxide Passivated Contact 태양전지 출처 : HENG et al., IEEE journal of photovoltaics, 5(1), 2015 그림 2-9. N-type Tunnel-junction cell with copper grid 태양전지 100% High Effi.c-Si Standard c-si 80% Market Share(%) 60% 40% 20% 7.9% 6.8% 6.8% 6.7% 4.7% 10.4% 11.2% 11.6% 12.0% 14.1% 0% 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013F 2014F 2015F 출처 : KPVS 춘계학술대회 2015 그림 2-8. TOPCon 셀구조에따른 Jo 변화 출처 : SNE Research 2013. 04 그림 2-10. 실리콘태양전지시장에서의고효율태양전지점유율현황 - 17 - - 18 -
그림 2-10은실리콘태양전지시장에서의고효율태양전지점유율현황을나타낸다. 고효율태양전지제품의점유율이조금씩증가하고있지만, 여전히시장의대부분은스크린프린팅 (screen printing) 법을이용한 BSF 태양전지 ( 단결정 : 18~19%, 다결정 : 17~18%) 가차지하고있다. 고효율태양전지를생산하고있는업체는대부분 n-type 웨이퍼를기반으로하는단결정실리콘태양전지이며, 일본 panasonic, 미국 Sunpower, 중국 Yingli, 한국 LG전자등이있다. 표 2-2는현재까지보고된 24% 이상의고효율실리콘태양전지를나타낸다. PERL(Passivated Emitter and Rear Locally diffused) 태양전지를제외한고효율태양전지들은모두 n-type 웨이퍼를기반으로하고있다. 이결과로부터 n-type 웨이퍼기반실리콘태양전지의고효율시장에서의점유율확대를예측할수있다. 표 2-2. 24% 이상의고효율실리콘태양전지 (2015년 9월기준 ) 초고효율태양광모듈신제품네온2 (Neon2) 로태양광부문본상을수상하였다. 이제품은 6인치 n-type 기판을이용한단결정실리콘태양전지로 60셀모듈출력 320W, 모듈효율 19.5% 의프리미엄급제품이다. 기존제품의태양전지위전기이동통로 (busbar) 는 2-3개였으나, 네온2는이를 12개로늘려전기적손실을최소화한첼로기술을적용하여모듈의출력을향상시켰다. LG전자는 2013년태양전지생산라인 400MW/ 년에서출발하여작년에 600MW 라인으로늘린데이어 2015년에는 900MW로늘린계획이다. 생산라인증설은 n-type 웨이퍼기반고효율태양전지로이루어지며, 미국, 유럽, 일본등선진시장에서의고효율제품수요확대에맞춰 n-type 태양전지의비중을늘리고있다. LG전자는 p, n-type 태양전지모두세계정상급수준인 20% 대이상효율을확보하고있으며, 6인치셀을이용한 300W급이상의모듈을양산하는유일한업체이다. 출처 : LG 전자홈페이지 www.lge.co.kr 그림 2-11. Mono X NeON, LG300N1W 2.2 고효율실리콘태양전지제조업체현황 2.2.1 LG전자 2014년 300W 출력의 60셀프리미엄모듈 Mono X NeON [ 그림 2-11] 을출시하여인터솔라어워드 2013 위너로선정되었다. 2015년 인터솔라 2015 에서 LG전자는 2.2.2 현대중공업현재 p-type 웨이퍼를기반으로하는결정질실리콘태양전지및모듈을생산하고있으며, 생산용량은각각 600MW/ 년이다. 2004년모듈생산을시작으로, 2008년부터는셀을생산하고있다. 2011년 selective emitter 기술을이용하여 19.7% 효율의실리콘태양전지를개발하였으며, 2012년에는 PERL 기술을이용하여 20.4%, 2013년에는 21.0% 를달성하였다. - 19 - - 20 -
최근에는 p-type PERL 셀 [ 그림 2-12( 상 )] 에서 21.2% 효율 (Voc-676mV, Isc-9.53A, FF-78.7%) 를달성하였으며, 이셀의특징은전면전극 Ni/Ag 또는 Ni/Cu/Ag를사용하고, 35μm의선폭을구현한점이다. 또한전면 passivation 층으로는 SiNx/SiO 2, 후면 passivation 층으로는 Al 2O 3/SiOxNy를사용하고있다. 향후양산라인에 LIP(Light Induced Plating) 도금법을이용한새로운전극을적용할계획이라고발표하고있다. 그리고, 새로운 n-type 웨이퍼기반태양전지로 back-junction PERT 셀 [ 그림 2-12 ( 하 )] 를개발하고있으며, 6인치 n-type 웨이퍼에서전면전극 Ni/Ag, 후면전극 Al을이용하여효율 21.18%(Voc-670mV, Isc-9.4A, FF-80%) 를보고하고있다. 전세계고효율 p-type PERC 구조의개발현황은아래와같다. [ 표 2-3] 표 2-3. 전세계 p-type PERC 셀개발현황 출처 : 2014 EUPVSEC, Fraunhofer ( 상 ) 2.2.3 Yingli Solar 잉리솔라는 2012년말기준웨이퍼 1.4 GW, 셀 2.1 GW, 모듈 2.4 GW 생산라인을가진세계 1위태양광모듈기업이다. 현재결정질실리콘태양전지생산능력은 4.2 GW 이며, 2014년모듈판매량은 3.3 GW로세계시장점유율은 10% 에달한다. 2014년부터잉리솔라는 n-type 단결정실리콘태양전지제작에 Ion implantation 도핑방법을적용하여 PANDA 셀 [ 그림 2-13] 을제작하였으며, 2014년평균효율 19.7% 의양산효율을보고하였다. 2020년까지 R&D 셀효율 25%, 양산효율 23% 까지달성한다는기술로드맵 [ 그림 2-14] 을발표하였다. ( 하 ) 출처 : 2014 결정질실리콘태양전지 & 모듈워크샵 그림 2-12. p-perl( 상 ), n-back junction-pert( 하 ) - 21 - - 22 -
2.2.4 Panasonic 출처 : YINGLISOLAR.COM 그림 2-13. 잉리솔라 PANDA 셀구조및모듈규격 2015년기준 850MW 생산라인에서 HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin layer) 모듈을생산하고있으며, 2016년에는생산용량을 1GW 급으로증설한다고발표하였다. 2008년말에파나소닉은 sanyo의태양광사업부문을인수한후세계태양광발전시장에서증가하는수요에대응하고, 또한일본내수시장에서의 Smart home energy management system 사업을확대하고있다. 단결정 n-type 실리콘기판에비정질실리콘박막 (i-type a-si, p-type a-si, n-type a-si) 을증착한이종접합구조로비정질실리콘박막을통한 passivation 성능강화로높은개방전압을얻을수있으며, 전 후면양면수광형구조로되어있다. 2013년에는두께 98μm, 사이즈 100cm 2 셀에서 24.7% 효율을달성하여보고하였다. [ 그림 2-15] 그 출처 : 2014 Solar Power International 그림 2-14. N-type 단결정실리콘 PANDA 셀효율로드맵 PANDA 셀은빛을전면과후면에서동시에받는양면수광형태양전지로써빛을수용하는면적이넓어져전류특성을증가시킬수있으며, 일반 p-type BSF 태양전지에비해박형화 (<150μm) 에용이하고 lifetime이긴장점을보유하고있다. N-type 웨이퍼전 후면에 Boron/Phosphorus 를 co-diffusion 방법으로형성하고, 전후면전극으로모두 Ag를사용하는특징이있다. 출처 : Journal of Photovoltaics, Vol.4, No.1, 2014 그림 2-15. N-type HIT 태양전지 - 23 - - 24 -
그리고 2014년에는 HIT구조에 IBC( 후면전극형 ) 구조를결합한 HBC(Heterojunction Back Contact) 구조로 143.7cm 2 의면적에서 25.6% 의세계최고효율을달성하여보고하였다. [ 그림 2-16] 이구조는 IBC 후면전극구조와 HIT 구조의장점을모은구조이다. 기존의 HIT 구조는전면 TCO층과비정질층에서빛의손실이발생하며전면전극과 TCO 사이의접촉저항으로인해 Jsc 및 FF의손실이있다. HBC 구조는 IBC 구조를적용하여전면전극을없애고, 후면에비정질 p+ 층을형성함으로써전면에서의손실을최소화하고, 후면비정질층의저항을낮춰 FF를향상시킨다. 높은 bandgap을가지는비정질층을이용하여후면전계를형성하였기때문에기존의 homo-junction 태양전지에비하여높은개방전압값을가질수있다. 2.2.5 Sharp 2013년기준약 2.0 GW 라인에서결정질실리콘태양전지를생산하고있다. 2010년부터는 n-type 웨이퍼기반고효율태양전지인후면전극형태양전지 (Back Contact Cell) 를개발하여, 200MW급라인에서 2011년부터양산화를시작하였다. [ 그림 2-17] N-type CZ 웨이퍼를기반으로하여 a-si Heterojunction BJBC(Back-Junction Back-Contact) 셀에서최고효율 25.1% 를달성하여보고한바있다. 출처 : Sharp Corporation 그림 2-17. Sharp 의 n-type Back Contact 실리콘태양전지 2.2.6 Sunpower 출처 : Panasonic Corporation 그림 2-16. HBC 태양전지 1970년대부터특화된태양전지기술로태양광시장을이끌고있는 Sunpower는현재 GW급생산라인을보유하며 First Solar와함께미국태양광산업의주축을이루고있다. Sunpower의고효율태양전지는 n-type 웨이퍼기반 all-back-contact (back-junction, back-contact: IBC) 구조로 2005년부터연구를시작해 2007년에이미 volume production 수준에서 22.4% 를기록하였고 2010년 n-type wafer에 back - 25 - - 26 -
contact 구조를적용하여 23% 를기록하며세계최고수준에이르렀다. 최근, Passivated Contact BJBC 구조에서최고효율 25.0% 를달성한바있다. 2014년생산량은 1.3 GW 이며, 2015년 1.8 GW까지증설한다고보고하였으며, 기존의 solar panel 라인이외에새로운 LCPV(Low Concentration PV) 라인을설치할계획이다. [ 그림 2-18] 또한, 2015년에는애플과파트너쉽을체결하여대규모솔라팜사업을진행중에있다. IBC 태양전지의요소기술은다음과같다. [ 그림 2-19] Lightly doped front diffusion: reduces recombination loss Texture + SiO 2 + ARC ƒ Backside Mirror: reduces back light absorption, causes light trapping Localized contacts: reduce contact recombination loss Backside gridlines: eliminates shadowing, thick/high-coverage metal reduce resistance loss 그림 2-19. SunPower IBC 태양전지구조및요소기술 2.2.7 Hanwha (Hanwha SolarOne, Hanwha Qcell) 출처 : www.pv-tech.org 그림 2-18. SunPower n-type IBC 셀생산계획 2012년한화솔라원은독일의세계적인태양전지셀생산업체인 Q-cell을인수함으로써 Q-cell 실리콘태양전지기반기술을확보하고한화큐셀을출범하였다. 한화솔라원은태양광셀및모듈생산에장점을가지고있으며, Q-cell은세계적인선도기술및 R&D 에뛰어나기때문에세계시장을겨냥한사업구조를구축할수있었다. 2013년한화큐셀은생산규모총1.1 GW로증설하였으며, 2015년상반기국내음성공장과하반기말레이시아공장증설을통하여셀 3.28 GW, 모듈 3.23 GW로세계태양광모듈 TOP3 capacity 보유가가능할것으로예측된다. 한화는 PERC(Passivated Emitter and Rear Cell) [ 그림 2-20] 기술을응용한 19.5% 효율의다결정실리콘태양전지를개발하였으며, 이셀은 p-type 다결정웨이퍼위에 SiNx passivation 과금속전극공정을진행하고, 후면에 passivation 층을형성하고 point contact을가진구조이다. - 27 - - 28 -
제 3 장. N-type 실리콘태양전지기술 그림 3-1은다양한실리콘태양전지의효율과가격과의상관관계를나타낸다. 최종목표는고효율과저가를동시에만족하는셀및양산기술을개발하는것이다. 최근에는 n-type의박형웨이퍼를이용하여효율과가격을동시에만족하기위한기술개발이진행중에있다. 특히 n-type 웨이퍼기반태양전지중에서 HIT, Back Contact 셀은박형웨이퍼를적용하기에용이한구조이다. 출처 : 한화큐셀 그림 2-20. Hanwha 의 p-type multicrystalline PERC 셀구조 또한, 2013년 European photovoltaic solar energy conference and exhibition (EUPVSEC) 에서후면 Al 을 Physical vapor deposition(pvd) 법을통해형성하여 n-type 후면에미터셀에서개방전압 673mV, 단락전류 39.8mA/cm 2, FF 79.5% 를확보하면서 21.3% 효율을보고한바있다. 그림 3-1. 고효율실리콘태양전지의효율과가격의상관관계 - 29 - - 30 -
3.1 N-type 실리콘태양전지요소기술 N-type 웨이퍼기반실리콘태양전지의고효율화를위한요소기술은다음과같다. 3.1.1 Emitter 형성 (Boron 도핑 ) 기술불순물의확산방법은결정성장중에불순물이주입되는경우와결정이성장한후표면을통해불순물이주입되는경우로나눌수있다. 결정이성장되는중에불순물이주입되는경우는태양전지제조공정에서그다지많이사용되지않는방법이며태양전지제조공정에서는주로이미준비된결정질실리콘웨이퍼표면에서도포및열처리공정에의해불순물이주입되는방법이사용된다. 결정의격자가이미고정되어있는웨이퍼기판에불순물이확산되는경우는기상확산법, 고상확산법, 이온주입법등세가지형태로개발되어사용되고있다. 이러한불순물확산법을불순물의도핑 (Doping) 이라고이야기한다. n-type 실리콘웨이퍼를이용하여태양전지를제작할경우, 에미터 (Emitter) 를형성하기위한 Dopant 로서가장일반적으로사용되는물질은붕소 (Boron) 이다. 붕소의소스로는 B 2H 6, BF 3 등이이용되며가장일반적으로사용되는도핑소스는 BBr3 이다. 도핑은 2단계로나누어져진행되며, 첫단계가선증착 (Pre-deposition) 이며, 두번째단계가확산 (Drive-in) 이다. 확산공정을하려는기판을 Quartz Boat에올려놓은후에일반적으로저항가열방식의 Quartz Tube에 Loading 한다. 기판은 Furnace의한쪽끝에서 Loading과 Unloading을하며반대쪽끝에서공정에사용되는가스를주입한다. BBr 3 을 Bubbling하여질소기체로 Furnace 내부로주입한다. 여기에산소를도입하여, 먼저선증착을진행하며, 확산하기이전에 B2O3를형성한다. 이러한반응식은다음과같다. 2B 2O 3 + 3Si = 4B + 3SiO 2 (2) 붕소는 p-type 기판의에미터형성에사용되는인에비해높은온도에서확산공정을진행하게된다. 붕소를도펀트로이용하여 n-type 기판을기반으로한에미터를형성할때실리콘내부의고용한계치를넘은붕소가표면에축적되게되는데이를 boron rich layer (BRL) 이라고표현한다. BRL은실리콘과보론의화합물로 SiBn 형태를가지는안정한화합물로 HF 또는 BOE에서단시간에제거되던 Phosphosilicate glass(psg) 에비교하여제거가어렵다. BRL은수십 nm에서수백 nm의두께를가지는막으로서비정질매트릭스내에결정상이존재하는것으로알려져있다. [ 그림 3-2] BRL은저항이낮아전기적으로우수한특성을보이나, 단파장대의반사도가높고, 소수반송자수명을저하시킨다. 따라서, 고효율태양전지제작을위해서는제거되어야한다. 최근 in-situ oxidation 공정이나확산공정의최적화를통하여표면 BRL을제거하는기술이개발되고있다. 출처 : Thin Solid Films, 564, (2014), 253-257 그림 3-2. Boron rich layer의단면 TEM 사진 4BBr 3 + 3O 2 2B 2O 3 + 4Br 3 (1) 다음단계인확산에서 Boron 은높은온도에의해웨이퍼내부로확산되어간다. Boron 의농도는웨이퍼표면에서최대이며, 내부로들어갈수록줄어든다. 확산 반응식은다음과같다. - 31 - - 32 -
3.1.2 Ion Implantation 3.1.3 Passivation Boron을이용한확산공정은 Phosphorus에비하여도펀트의프로파일조절이어려우며, 표면의 BRL의제거가어렵다는단점이있다. Ion Implantation은 Dopant의 Carrier 농도를독립적으로조절할수있으며, 단면공정및패턴형성이가능하다는장점을가지고있기때문에 n-type 실리콘웨이퍼의에미터형성법으로자주응용되고있다. 또한태양전지에미터에맞춘낮은전압및 dose량으로이온주입이가능한 implanter가개발중이며양산라인의저가격및높은처리량을달성하기위해연구중에있다. 하지만높은에너지로가속화된이온이실리콘표면과충돌하여기판의손상을발생시킨다. 그림 3-3는보론프로파일을통해계산한누설전류 (Simulated J 0P+) 와실험후측정한누설전류 (Measured J 0P+) 를보여준다. 두그래프사이의차이는이온주입시발생한기판의손상이제거되지않았을경우이다. 충분한온도에서열처리가진행되지않을경우, 기판표면뿐아니라내부에서도손상이남아태양전지의전체효율저하를가져오기때문에고효율태양전지제작을위해서는잔존손상을최소화하는것이필요하다. 태양전지의내부에서광자의흡수를통해생성된전자-정공쌍은금속전극을통해수집되어외부에에너지를공급하게된다. 하지만생성된전자-정공쌍의일부는재결합 (recombination) 을통해소멸하게되는데이러한재결합은기판내부에서발생하는재결합과기판의표면에서발생하는재결합으로구분할수있다. 기판내부에서발생하는재결합은다시 radiative recombination, auger recombination, 그리고 SRH recombination으로분류할수있는데, 이러한재결합손실중에서 SRH recombination과기판표면에서의재결합은 passivation 공정을통해상당부분줄일수있다. 20% 이상의고효율결정질실리콘태양전지를얻기위해가장중요한공정의하나는기판의양쪽표면을 passivation 하는과정이다. 표면의처리가중요한이유는고효율태양전지의 emitter와 base 영역에서소수 carrier의확산거리가이영역의두께를넘어서기때문이다. 결과적으로태양전지의전체영역이전기적으로활성화됨으로써이러한태양전지내부의모든부분에서빛의흡수에의해생성된 carrier가재결합될수있다. 표면에서의재결합을줄이기위해서는두가지의서로다른접근방식이있다. 표면에서의 defect state 의감소 표면에서의전자및정공의밀도감소 출처 : T.Ratcliff,Influence of implantation damage on emitter recombination 그림 3-3. 프로파일을통해계산한누설전류와실험후측정한누설전류 그림 3-4는실리콘표면에서 SiNx와 Al 2O 3 passivation 층이각각 n형과 p형에증착됨으로써표면의재결합을줄이는두가지매커니즘을나타낸다. 첫번째는표면의 defect state를줄이는방식이다. 실리콘표면의 dangling bond에비정질물질을화학적으로결합시킴으로써 carrier의재결합이일어날수있는 trap state를제거해준다. 이러한방식의 passivation을 chemical passivation이라부른다. 이와는다르게표면에서의전자또는정공의밀도를감소시켜서로다른 carrier 간의재결합을감소시키는방식이있다. 실리콘표면에서의전자또는정공밀도를감소시키기위해서는표면을도핑하거나표면에전하밀도를가지는비정질물질을증착하여전기장을형성시켜준다. 형성된전기장은표면의전자또는정공의밀도를감소시킨다. 따라서이는 field-effect passivation이라부른다. 현재까지개발된모든태양전지는이러한두가지의표면 passivation 방법을적용하고있다. 실리콘기판표면의 defect state를줄이기위해사용하는일반적인 - 33 - - 34 -
방법의하나는 900-1000 C 정도의고온에서산화막을표면에성장시키는 방법이다. 비저항이높은실리콘기판에이러한방법을도입함으로써낮은 surface state 를유지할수있다. 특히, BSF가 base의전체공간에서모두작용하는경우이러한태양전지를 drift-field 태양전지라부른다. 반대로도핑 profile이 base 물질과다른극성을가지면서전기적으로접촉되어있지않으면이를 floating junction이형성되었다고말한다. Dopant의확산과는다르게반도체표면의아래에원하는전기장을만들수있는방법으로표면이나표면위에증착한유전체에오랫동안안정된상태로존재할수있는고정된전하를이용하는방법이있다. 실리콘에증착되어있는대부분의유전체물질은표면전하를형성하게되는데, 이러한표면전하에의한 passivation이나전기장효과에의한 passivation은이미다양한실리콘태양전지에적용되어왔다. 아마도가장잘알려진예로서는 inversion-layer 태양전지를들수있는데, 실리콘표면에서의전하밀도가매우높아실리콘표면에역전층이만들어진다. 실리콘 inversion-layer 태양전지를만들수있는유전체물질중에서가장성공적으로적용된예는 plasma를이용한 silicon nitride를들수있다. n-type 실리콘기반태양전지제작을위해서는기존의 Silicon nitride 패시베이션층외의패시베이션막을고려해야한다. Al 2O 3 는 p-type 에미터의패시베이션막으로사용되는대표적인물질이다. 3.1.4 ALD of Al 2O 3 passivation layer 그림 3-4. 실리콘태양전지의 chemical passivation과 field-effect passivation 두번째방법은실리콘표면아래에전기장을형성시켜구현할수있다. 이는 pn 접합을만드는과정을통해얻어진다. 확산영역에서 dopant의농도가표면으로갈수록증가하면결과적으로표면에생성된전기장이소수 carrier를 pn 접합면이있는 emitter의안쪽으로미는힘으로작용한다. 이러한과정을통해소수 carrier의밀도가표면에서줄어들게되고따라서표면에서의재결합손실이감소한다. Dopant의도핑농도가표면으로갈수록증가하는도핑 profile은태양전지의후면에도적용할수있다. 만일도핑 profile이셀의 base 물질과같은극성을가지고있을경우에이를 high-low junction 혹은 BSF(back surface field) 라한다. 2000년대중반이후에 ALD (atomic layer deposition) 방법으로성장시킨알루미늄산화물 (Al 2O 3) 박막이저저항의 p형및 n형실리콘기판의표면 passivation에매우유용하다는사실이알려지기시작했다. Al 2O 3 가본격적으로사용되기시작한이유는두가지로정리할수있다. p형실리콘기판을이용한태양전지의경우효율증가를위하여후면 Al-BSF를대체할수있는물질이필요했다. Al 2O 3 는후면 passivation 역할을하여 carrier의재결합손실을줄여주며, 내부반사를증가시키고웨이퍼두께가얇아짐에따라나타나는웨이퍼의 ' 휨 ' (bowing) 현상을줄여주는역할을수행하기때문에태양전지의고효율화를실현시키는데기여하고있다. 태양전지의고효율화를위하여 n형실리콘기판을사용하게되면서전면 p+ emitter의 passivation이필요하게되었다. Al 2O 3 의 negative fixed charge는 chemical passivation 뿐아니라 field-effect passivation을통해표면재결합손실을감소시켜변환효율을향상시켰다. - 35 - - 36 -
그림 3-5는 p형및 n형태양전지에적용된 Al 2O 3 의후면또는전면 passivation을보여주고있다. 왼쪽은 n형태양전지의전면 passivation을막으로 Al 2O 3 를적용한구조를보여주고있으며, 오른쪽은 p형실리콘기판으로제작한 PERC 구조의태양전지에서후면 passivation을위해사용된 Al 2O 3 막을보여주고있다. Al 2O 3 는결정질실리콘기판에증착하고열처리를하게되면박막내부에다량의 negative fixed charge를보유하게되는데, 이러한전하는주로 Al 2O 3 박막과결정질실리콘기판의경계면에위치한다. 경계면에위치한 negative charge는매우강한전기장을실리콘표면의 p+ 영역에형성하게되어 thermal oxide로얻을수있는만큼의낮은표면재결합속도를보이게된다. 결론적으로이러한 negative fixed charge로인하여 Al 2O 3 는태양전지의고효율화에기여하였다. 일반적으로 p형의실리콘기판을이용한태양전지의전면 passivation을위해사용하는 SiNx 막은 positive fixed charge를가지고있기때문에 n형의실리콘기판을이용한태양전지의전면 passivation에는적당하지않다. 반면에 Al 2O 3 막은 negative fixed charge를가지고있어 n형태양전지전면의 p+ emitter에증착함으로써효율적인 passivation이가능하다. 그림 3-5. Al 2O 3 를이용한전면 (left) 및후면 (right) passivation 서로다른 passivation 물질의 passivation mechanism은 corona charging 실험을통하여구분지을수있다. 그림 3-6은 a-sinx:h, SiOx와 Al 2O 3 의 corona charge density에따른 effective SRV 결과이다. a-sinx:h와 SiOx는 PECVD를이용하여각각 80 nm, 50 nm로, Al 2O 3 는 ALD를이용하여 30 nm 증착되었다. a-sinx:h는소성공정을거쳤으며, SiOx와 Al 2O 3 는각각 H2/N2, N2 분위기에서 400 o C 로열처리되었다. corona charging 실험결과, a-sinx:h와 SiOx보다 Al 2O 3 의 effective SRV 값이낮은것으로미루어보아 Al 2O 3 의 chemical passivation 성능이더우수한것을확인할수있다. 또한, a-sinx:h와 SiOx는 positive fixed charge를가지는반면, Al 2O 3 는 negative fixed charge를나타내며 negative fixed charge density(qf) 는 5x10 12 cm -2 로 Al 2O 3 의 field-effect passivation 성능또한 a-sinx:h와 SiOx보다우수하다. 출처 : Journal of Vacuum Science & Technology A 30, 040802 (2012) 그림 3-6. Passivation 막종류에따른 corona charging 실험결과 Al 2O 3 증착을위해현재일반적으로사용되고있는 ALD 방법은증착속도가낮아 Al 2O 3 를증착하기위한다른방법들에대해서도연구가진행되고있다. 가능성이높은방법으로는 PECVD와 RF sputtering이있는데, 두방법으로 Al 2O 3 막을성장시킨경우에도저농도로도핑된 p-type 표면에대해서는높은수준의표면 passivation 효과를얻을수있었다. 하지만아직은두가지방법모두고농도로도핑된 p+ 표면에는적용되지못하고있다. 고농도로도핑된 p+ 표면의 passivation을위해증착시킨 ALD Al 2O 3 단일막은일반적인금속열처리공정에대해상대적으로안정적이라는것은이미알려져있다. - 37 - - 38 -
그림 3-7 은다양한 passivation 물질들의 Dit 값과 Q f 값을나타낸다. 출처 : Stefanie Riegel, University of Konstanz 그림 3-8. Ag/Al paste 를이용하여 boron emitter 에전극형성후의표면형상 ; (a) Al 이 Si 과반응하여 contact spot 형성 (b) contact spot 의 EDX scan 출처 : 5 th Silicon PV 2015 그림 3-7. Passivation materials 3.1.5 N-type 태양전지의전극형성공정 N-type 실리콘태양전지는 boron emitter에전극을형성한다. Boron emitter에 Ag paste로전면전극을형성하면, 접촉특성이떨어진다. 그원인은 Ag가 boron emitter에결정성장이잘이루어지지않기때문이다. 전면전극의형성 mechanism에관한이론이확립이되지않아여러연구자들이결정성장과정에대해의견이분분하다. 또한, boron emitter에 Ag가결정성장이원활하지않은이유에대해서도의견이대립되고있다. Ag paste의대안으로소량의 Al을첨가하여 Ag/Al paste를 n-type 웨이퍼기반실리콘태양전지에사용하고있다. Ag/Al paste는낮은온도에서도 Al이 Si과반응하여접촉이형성되므로, 우수한접촉특성을보여준다. 하지만, 상대적으로높은 line 저항과 shunt 현상이발생되는단점이있다. 출처 : Susanne Fritz, University of Konstanz 그림 3-9. Ag/Al paste로형성된단면형상그림 3-8은 Ag/Al paste로 boron emitter에전극을형성한후의표면형상을보여준다. Al이 Si과반응하여사각형모양의 contact spot이형성되며, 이부분을 - 39 - - 40 -
EDX scan 하면, Si, Al, Ag 등의원소가검출된다. 대부분의 contact spot은 Al과 Si 으로채워져있다. Ag가형성된부분을단면형상으로자세히살펴보면, Ag/Al contact spot이 Si 웨이퍼에 inverted pyramid 형태로생성됨을알수있다. [ 그림 3-9] 는접촉깊이가 1um 이상형성되어, silicon base와맞닿아 shunt 현상이일어나게된다. 이로인해태양전지의전기적특성이떨어진다. 따라서현재사용되고있는 Ag/Al paste를대체할수있는새로운 paste를개발하거나, 기존의 Ag paste를 n-type 실리콘태양전지에적용하는기술이요구된다. 만약, 실리콘표면이텍스쳐가되어있으면, bulk 실버와실리콘의직접적인접촉이주로이루어질것이다. 텍스쳐된피라미드실리콘의높이는대개수μm이고, glass 층의두께는보통 1μm보다얇기때문에피라미드실리콘의꼭대기부분에형성된실버 crystallite가 bulk 실버와직접접촉을할가능성이크다. 하지만, 스크린프린티드컨택 mechanism에대한이해가여전히부족하다. 페이스트의조성과소성조건등에따른 current transport mechanism을연구해볼필요가있다. 3.1.6 Current Transport Mechanisms 프린팅법을이용하여형성된전극의전도메커니즘은현재까지이론이확립되어있지않아여러연구자들의주장이대립되고있다. 프린팅법은 evaporation이나 plating과는다르게전기적 barrier인 glass가포함되어있기때문에상대적으로 current transport가원활하지않다. 따라서, 실리콘과전면전극간의접촉저항이대개높은값을갖는다. 실버페이스트를이용한프린팅법으로전면전극을형성할때, 소성공정동안페이스트에포함되어있는 glass가주로 bulk 실버와실리콘사이에위치하게된다. 그리고실리콘표면에실버가 crystallite 형태로성장하고, glass 내부에실버파티클이분포하게된다. 현재까지제안하고있는 current transport mechanism은크게세가지로구분할수있다. [ 그림 3-10] bulk 실버와실리콘의직접적인접촉에의한 transport 이다. 그림 1-39의 1과같이 bulk 실버와실리콘사이에 glass가존재하지않을때, 실리콘에서전면전극으로직접연결이가능하다. 출처 : Mohamed M. Hilali, Georgia Institute of Tech. 그림 3-10. Current transport mechanism 그림 1-39 의 2 bulk 실버와실리콘사이의얇은 glass 층으로인해 tunneling 으로 current transport 가이루어진다는주장이다. 실리콘표면에생성된실버 crystallite 는 glass 로둘러쌓여있으므로, tunneling 에의해 current transport 된다는이론이다. ƒ마지막으로, 그림 1-39의 3과같이 glass 내에형성된실버파티클에의한 hopping으로 tunneling current가일어난다는주장이다. Glass는실버-실리콘계면의넓은부분을커버하고있고그내부에실버파티클들이무수히많이포함되어있기때문에, hopping에의한 tunneling current transport가발생한다는이론이다. - 41 - - 42 -
제 4 장. 국내태양전지산업현황및전략 4.1 국내태양전지산업및기술개발현황 현재국내태양광산업은결정질실리콘 value chain을중심으로구성되어있으며, 폴리실리콘및셀과같은대형설비가필요한분야는대기업위주 (OCI, 현대중공업, LG전자, 한화등 ) 로사업이추진되고있으며, 시스템사업및부품소재 / 제조장치사업의경우, 중견 중소기업 ( 대주전자, 주성엔지니어링, IPS 등 ) 을중심으로사업이형성되어있다. 그림 4-1은국내결정질실리콘 value chain 별기업현황을나타낸다. 태양전지사업은 LG전자, 현대중공업, 신성솔라에너지등을중심으로시장진입에는성공하였으나기술적진보에비해가격경쟁력확보를위한생산규모가여전히 Top Tier 업체대비작아서규모의증대가필요하다. 현재국내태양전지및모듈전체생산용량은중국의 Top Tier 업체 1곳의생산용량보다적다. [ 그림 4-2] 또한, 관련부품소재및제조장치의경우, 여전히외국업체의제품우수성으로인하여국내중소 중견기업중심의부품소재및제조장치의국산화개발도미흡한상태이다. 출처 : 한국수출입은행, 2015 그림 4-2. 국내결정질실리콘 value chain 별생산규모 그림 4-1. 국내태양광업체현황 국내박막태양전지산업은삼성 SDI, LG 이노텍, 현대아반시스, SK 등에서사업화를시도하였으나결정질실리콘태양전지대비기술및가격경쟁력을확보하지못하여시장진입에실패한상태이다. 고려대학교태양광연구센터김동환교수팀은 6인치공정을진행할수있는팹 ( 실리콘태양전지원천기술연구센터 ) 을보유하고있으며, p-type 결정질실리콘스크린프린티드태양전지로 19.2% 를기록하고있다. 또한, 양산공정에적용할수있는 n-type 스크린프린티드태양전지제작공정을개발하여 6인치에서 17.5% 의효율을기록하였으며, 그밖에도후면전극형실리콘태양전지의경우 implantation 공정을이용하여 20.3% 의효율기록을보유하고있다. 최근 26% 초고효율실리콘태양전지 [ 그림 4-3] 개발을위한국책과제주관기관으로선정되어연구개발을진행중에있다. 핵심기술개발로는, 저온소성용미세선폭금속전극형성 Wide bandgap 에미터기술개발 ƒ새로운 tunnel oxide 물질개발 - 43 - - 44 -
4.2 국내태양전지기술개발전략 정부는 3차신재생에너지기술개발및이용 보급기본계획 ( 08~ 30) 를수립하여, 국가에너지기본계획과의정합성을고려한단계별목표를설정하고전략을수립하였다. 이계획에의하면, 신재생에너지의신성장동력화및 2030년 1차에너지의 11% 를신재생에너지로대체하는것이목표이다. 기본방향으로자원고갈및기후변화등신재생에너지를둘러싼정책환경변화에효율적으로대응하고핵심분야에태양광발전포함시켰다. 그림 4-5는신재생에너지기본계획목표및세부전략을나타낸다. 그림 4-3. 26% 초고효율실리콘태양전지구조 그림 4-4 는국내주요태양전지업체의연구개발현황을나타낸다. 그림 4-5. 3 차신재생에너지기본계획목표및세부전략 국내태양전지산업의발전, 고용창출, 매출확대및해외수출증대를위해분야별시장상황에맞는 R&D 기획방향이필요하다. 태양전지기술개발투자포트폴리오는각분야별시장점유율및시장성장률을기준으로하여분야별투자매력도를고려해야할것이다. 그림 4-4. 국내주요태양전지업체연구개발현황 - 45 - - 46 -
기술개발전략방향으로서결정질실리콘태양전지기술은시스템단가저감및신규시장창출이핵심인바발전시스템 ( 융복합포함 ), 공용부품 소재 장비기술확보에집중하며, 이에대응하는기술개발이필요하며, 향후기술별전략품목의한계를뛰어넘는미래융합혁신기술이도출가능한기반을조성해야할것이다. 최근에한국에너지기술평가원 (KETEP) 에서는비전로드맵을수립하여비용분석, 시장예측, 핵심지표 ( 용도별, 기술별 ) 선정등을통해시장진입로드맵제시하여, 민간의창의적 R&D 추진을유도하고지원할수있는방안을마련하였다. 이로드맵은결정질실리콘태양전지를기반으로작성되었다. [ 그림 4-6] 출처 : KETEP 그림 4-6. 2013 에너지기술비전로드맵 ( 태양광 ) 이비전로드맵에따르면결정질실리콘태양전지기술개발목표는박형웨이퍼를이용한고효율태양전지개발이다. 그림 4-7은그린에너지전략로드맵으로태양전지종류별기술개발전략이수립되어있으며, 결정질실리콘의경우장비및소재개발을포함하여단기 / 중기 / 장기기술개발전략이수립되어있다. - 47 - - 48 -
미래전력산업은태양광발전을중심으로변화될것이다. 분권형에너지시대 : 대형전력및발전사에전적으로전력공급을의존하던것에서벗어나소비자가직접전력을생산하고소비하는에너지프로슈머 (producer +consumer) 시대가도래할것임. 지역, 커뮤니티중심으로필요한전력을생산및소비하고잉여전력은판매하는분산전력거래 전력사업자의다양화 : 기존의전력, 발전회사에서벗어나 IT 기업, 전자회사, 자동차회사등이태양광발전을이용한전력사업참여. 일본에서는 2016년부터가정용전력소매업이완전자유화됨. 이에따라소프트뱅크 (IT), 파나소닉 ( 전기 전자 ), 혼다 도요타 ( 자동차 ) 가태양광발전이용한전력소매업에진출함. ƒ 융 복합사업화 : 지능형전력관리시스템 ( 스마트미터, 수요관리시스템, 자동검침 ), 데이터시스템 ( 전력데이터처리및제어, 데이터플랫폼 ), 에너지저장장치등과의융 복합으로전력사업구조변화. GE, IBM, Google, Siemens, Toshiba 등글로벌다국적기업들이전력사업의구조변화에대비, 태양광시스템과의융 복합을통한소비자중심의전력사업구조개편이러한트렌드에맞춰태양전지기술개발전략을수립하여새로운시장을창출하고새로운신성장동력산업으로서의가치창출을위해정부의지원과산학연연계연구가필요하다. [ 그림 4-8] 출처 : KETEP 그림 4-7. 그린에너지전략로드맵 출처 : 한국수출입은행 ( 13.5), 2014 년세계태양광산업전망 그림 4-8. 태양광산업의 Life Cycle - 49 - - 50 -
제 5 장. 결론태양광산업은수년간구조조정기 [2011~2013] 를지나본격적인 2차시장성장기로진입하고있다. 향후수년간 20% 이상의지속적성장을바탕으로연간 50 GW 이상의설치량및연간 120조원이상의시장이형성될것으로기대하고있다. Grid Parity를달성한유럽을중심으로한시장에서중국, 일본, 미국으로의시장확대와함께중동, 동남아시아, 남미로급격하게시장이확대되고있다. 또한, 태양광산업은기존대규모발전용시장에서가정용시장으로시장이확대되고있으며, 생산과소비의간격이좁아지는 Prosumer Type 시장이확대되고있다. 기술적인트렌드는보다저렴한재료를이용하고공정비용을줄여태양전지및모듈의가격을낮추면서우수성능을얻는방향으로진행되고있다. 태양광시장의새로운 2차성장기를대비하여태양광발전시스템의핵심소자인태양전지의고효율화기술개발경쟁이치열하게이루어지고있다. 한국태양광산업은결정질실리콘을중심으로구성되어있으며, 원재료인폴리실리콘및태양전지셀과같은대형설비가필요한분야는대기업위주 (OCI, 현대중공업, LG전자, 한화등 ) 로사업이추진되고있으며, 시스템사업및부품소재 / 제조장치사업의경우, 중견 중소기업중심으로사업이형성되어있다. 국내기업들중에서한화그룹이유일하게결정질실리콘 value chain을수직계열화하여태양광사업을진행하고있으며, LG전자, 현대중공업, 신성솔라에너지등은태양전지셀및모듈의양산을주력사업으로하면서최근발전사업까지영역을확대하고있다. 하지만국내기업들의경우성공적으로시장진입에는성공하였으나향후세계시장에서의경쟁력확보를위해생산규모의증대및자체브랜드의태양전지기술개발이필요하다. 이러한관점에서한화그룹은수직계열화뿐만아니라생산규모면에서도글로벌넘버 1을차지할정도로공격적인투자를하고있다. 최근에는새로이국내에 1.5 GW 셀및 250 MW 모듈공장을각각짓는다고발표하였다. 그리고, LG전자의경우, 자체브랜드의초고효율프리미엄제품개발전략을수립하여 6인치 N타입웨이퍼기반실리콘태양전지모듈인네온을성공적으로양산하였으며, 올해에도세계최고수준인 19.5% 모듈효율을가지는 320W 네온2를출시하여인터솔라 2015에서태양광부문본상을수상하였다. 이와같이, 국내기업들의생존전략으로는생산규모의확대를통한경쟁력강화와초고효율프리미엄개발을통한기술적우위성확보로요약될수있다. 이러한방향에서뒤쳐지는기업의경우향후태양광시장에서의경쟁력을가지기어려울것같다. 정부에서도이러한시장변화에맞춰태양광 R&D 지원을확대하고있으며, 주요목표로저가중국산모듈 (China Risk) 극복, 수직계열화및규모의경제구축, 주요자원의안정적공급 (Supply Chain) 이다. 향후 5-10년간결정질실리콘태양전지의시장지배력이유지될전망이기때문에주요 R&D 핵심기술로초박형 (<100um) 결정질실리콘태양전지및모듈개발, 그리고 N 웨이퍼기반 25% 이상초고효율태양전지및저가공정개발 ( 소재, 장비국산화 ) 등을중점적으로진행할계획이다. 또한중장기적으로는자동차, IT, 무인기, 전자제품, 군수제품등다양한응용분야에적용하기위한소형고출력제품개발을활발히진행해야한다. 미래시장을선점하기위해또한국내태양광산업의경쟁력강화를위해핵심소자인결정질실리콘태양전지의고효율화기술개발은지속적으로진행되어야하며, 또한실리콘기반의차세대태양전지에대한장기적인지원계획을수립하여원천기술확보및상용화분야에전략적으로투자해야할것이다. 이러한투트랙전략을통해기존시장에서의기술및산업경쟁력강화와동시에새로운시장창출을통한국가미래성장산업으로육성해야한다. - 51 - - 52 -