Insight
태양광 모듈 변화의 중심
‘n-type 태양전지 기술’
Oct, 2021











 미래 태양전지 시장을 이끌어갈 n-type 

지난 2017년 한국은 재생에너지 2030 이행계획을 발표하였다. 이는 2030년까지 누적 설비용량 30.8GW을 설치하여 재생에너지 발전량 비중을 20%로 끌어올리겠다는 공격적인 목표를 가지고 있다. 이후 에너지시장 및 탄소전환 정책에 따라 2019년 제3차 녹색성장 5개년 계획, 제3차 에너지기본계획, 제4차 에너지기술개발 계획, 한국판 뉴딜 정책 등이 잇따라 발표되었다. 2020년 제5차 신재생에너지 기술개발 및 이용보급 기본계획에 따르면 2034년 재생에너지 보급을 통한 온실가스 감축량은 6천 9백만 tCO₂(이산화탄소톤)를 목표로 하고 있는데, 이는 약 60억 그루의 나무를 심는 것과 맞먹는 효과이다. 최근에는 2050년 탄소중립 추진전략에 따라 중장기 전략을 수립하고 이를 위해 기존기술의 한계를 극복할 수 있는 태양광 입지 다변화에 관한 요구가 증대되고 있다. 이러한 측면에서 태양광 발전의 경우 셀 및 모듈의 고효율, 고출력에 관한 요구가 제기되고 있으며, 기존 p-type 결정질 실리콘 태양전지에서 고효율에 더 효과적인 n-type 실리콘 태양전지로의 변화 움직임이 포착되고 있다.


현재 생산되는 p-type 실리콘 태양전지의 대부분은 퍼크(PERC, passivated emitter and rear contact) 구조로 22.5% 정도의 평균 효율을 기록하고 있다. 퍼크(PERC) 태양전지는 가격과 효율을 모두 향상시켜 태양광 시장에 급격한 변화를 가져왔었다.


*퍼크(PERC, passivated emitter and rear contact): 태양광 셀 후면에 발전 반사판을 설치해 더 많은 양의 빛이 셀로 반사되도록 함으로써 발전 효율을 높이는 기술 




<(좌)ITRPV와 (우)PV-tech에서 예측한 웨이퍼 type 별 시장점유율 예측, 출처: 독일 기계 공학 산업 협회(VDMA), PV Tech Research>

ITRPV(International Technology Roadmap)와 PV-tech에서 발표한 웨이퍼 type 별 시장점유율 예측데이터를 보면 p-PERC 태양전지 시장은 유지되면서 n-type 시장이 커질 것이라 전망했다. 그러나 2021년 PV-tech에서 발행한 보고 자료에 따르면 2024년부터 n-type 태양전지 시장이 성장하여 2028년에는 p-type 태양전지 시장을 완전히 대체할 것으로 예상하였다.

태양전지의 구조는 크게 n-type 단결정 HJT(Heterojunction, 이종접합태양전지)와 IBC(Interdigitated Back Contact, 후면전극형 태양전지) 그리고 TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact, 전하선택형 태양전지)으로 나누어 볼 수 있는데, 최근 모듈 트렌드에 따르면 HJT와 TOPCon 태양전지를 중심으로 발전할 것으로 전망되고 있다. 



<p-type 및 n-type 태양전지 효율 증가 동향, 출처: 한국에너지기술연구원>


 우주용으로 쓰인 실리콘 태양전지, 오늘날 신재생에너지의 핵심 전력원이 되기까지 

40년 전 초기 상용 실리콘 태양전지의 경우 우주 전력, 인공위성 등의 용도로 많이 사용되었다. 미국의 케이블 및 통신업 관련 연구소인 벨 연구소(Bell laboratory)에서 진행한 초기 태양전지에 관한 연구는 대부분 우주용 태양전지 설계나 웨이퍼 유형의 문제를 조사하는 것이었다. 

우주 적용 태양전지의 연구 결과, 우주로부터 오는 각종 방사선의 영향으로 웨이퍼의 *소수캐리어(minority carrier) 수명이 현저하게 저하되는 현상을 나타냈고, 이는 현재까지 웨이퍼의 경쟁에서 중요한 성능지표가 되고 있다. 웨이퍼 내 소수캐리어 수명이 줄어들게 되면 전자 및 **정공(hole) 확산거리가 줄어들게 되므로 캐리어 수집 확률이 그만큼 줄어들게 된다. 이는 태양전지 효율의 감소를 의미한다. 이후 태양전지의 성능이 차츰 개선되면서 초기 우주용으로 쓰였던 태양전지는 지상발전용으로 사용할 수 있게 되었고 현재 신재생에너지의 핵심 전력원으로 자리매김하였다.


1) p-type 웨이퍼가 주목 받았던 이유



<고에너지 조사를 통한 n-type 및 p-type 웨이퍼의 태양전지 특성, 출처: The solar cells and their mounting>


우주용 태양전지의 성능 확인을 위해 고에너지 광조사를 통한 웨이퍼의 특성을 파악할 때 n-type 웨이퍼가 BOL(beginning of lifetime)에서 우수한 특성을 보일지라도 EOL(end of lifetime)의 경우 p-type 웨이퍼가 더 좋은 특성을 보였다. 이러한 이유로 태양전지의 장시간 사용을 고려하여 p-type 웨이퍼가 더욱 각광 받을 수 있었다. 웨이퍼의 동일한 유효수명(effective lifetime) 상에서는 소수캐리어의 이동도가 중요하기 때문에 P타입의 소수캐리어인 전자의 이동도(mobility)가 정공(hole)에 비해 약 3배 가량 우수하고, 이로 인해 p-type 태양전지를 만드는 것이 유리하다고 판단되었다. 이러한 흐름이 이어져 p-type 웨이퍼를 이용한 태양전지에 대한 이해도 및 기술의 완성도가 높아졌고 지상발전용으로 사용하는 오늘날에도 대부분의 제조 인프라는 p-type 태양전지가 되었다.

*소수캐리어(minority carrier): n형 영역에서는 전자가 많아서 정공이 소수캐리어가 되며, p형 영역에서는 반대로 전자가 소수캐리어가 된다.
**정공(hole): 양의 전하를 띠는 전기운반체

2) 고성능 n-type 웨이퍼의 성장

태양전지의 적용 분야가 점차 지상발전으로 옮겨오면서 이제는 EOL보다 BOL이 중요하게 되었다. 지상에서는 우주나 태양으로부터 온 *x선, **감마선 등의 우주 고에너지 문제로 인한 소자의 파괴나 수명저하가 우주보다 현저하게 낮게 발생하기 때문이다. 이는 지상 발전이 초기 웨이퍼 특성을 유지하는 데 보다 적합한 환경이기 때문에, 고에너지 노출에 따른 내구성 손실을 고려할 필요성이 줄어든다는 것을 의미한다. 실제 실리콘 웨이퍼를 사용한 태양전지의 경우 지상발전에서 사용 후 상당 시간이 흐른 뒤에도 초기와 대비하여 효율의 저하가 거의 없다.

웨이퍼는 태양전지 제조비용에서 차지하는 비중이 상당히 높다. 이는 웨이퍼의 제작 과정에서 많은 에너지를 소비하기 때문인데, 이러한 이유로 제한적인 곳에서 많은 웨이퍼를 추출하기 위해 웨이퍼의 두께를 점차 얇게 사용하기도 한다. 

이는 단지 가격의 문제가 아니라 기술의 발전으로 표면의 ***패시베이션(passivation) 기술이 점차 우수해지면서 얇은 웨이퍼를 사용하는 것이 전자(또는 정공)의 확산거리에 따른 수집확률을 높일 수 있어 태양전지의 효율을 올릴 수 있는 방안 중에 하나로 자리매김했기 때문이다. 웨이퍼 표면에서 전자(또는 정공)의 손실(재결합)이 줄어들면서 실리콘 웨이퍼 내의 유효수명이 중요하게 되고, 초기 유효 수명이 높은 n-type 웨이퍼의 사용은 곧 효율의 상승을 의미하게 되었다. 최근 태양광 발전의 추세가 가격절감과 제한된 설치 면적에 따른 고출력이라고 봤을 때, 공정에서의 이슈를 따로 놓고 보더라도 웨이퍼의 변경을 통한 효율 상승은 상당히 매력적인 옵션으로 볼 수 있다.

또한 태양전지는 확산, 전극 형성 등의 고온공정을 거치게 되는데, 이는 웨이퍼 내 불순물의 활성화를 유발하여 소수캐리어의 유효수명을 감소시키고 효율을 저하시키는 결과를 가져오게 된다. 이종접합 태양전지와 같은 일부 태양전지 구조를 제외하고 대부분의 태양전지는 800도 이상의 고온공정을 거치기 때문에 불순물에 대한 저항성이 높은 n형 기판을 선택하는 것은 태양전지 효율경쟁에서 중요한 포인트이다. 

LID (light induced degradation) 또한 주요 이슈가 될 수 있다. LID의 경우 주로 p형 웨이퍼 내 불순물인 붕소와 산소의 반응으로 일어나기 때문에 n형 기판의 경우 LID 현상으로부터 비교적 자유로울 수 있어 태양광 패널 설치 후 지속적인 초기 발전성능을 기대할 수 있다.

*x선: 파장이 0.01 ~ 10 나노미터인 전자기파, 감마선 다음으로 파장이 짧은 전자기파이다 
**감마선: 정확히 경계가 정해져 있지는 않지만 파장이 10-11m 정도 이하로 가장 짧은 영역의 전자기파, 혹은 진동수 10¹⁹ Hz 이상의 전자기파를 의미 
***패시베이션(passivation): 얇은 박막을 이용하여 실리콘 기판의 표면에 있는 불포화결합 (dangling bond)의 개수를 줄여서 표면의 재결합 속도를 낮추고 이를 통해 태양전지의 효율을 증가 시키는 기술


 n-type 태양전지의 현주소는? 

n-type 태양전지는 최근 TOPCon(Tunnel oxide passivated contact) 구조의 양산 가능성과 함께 더 큰 관심을 끌고 있다.
TOPCon 태양전지는 독일의 연구소 Fraunhofer ISE에서 제시한 구조로 태양전지 후면에 얇은 터널 산화막과 도핑된 폴리실리콘 층을 이용한다. 이런 후면 구조는 다수 캐리어(majority carrier)와 소수 캐리어(minority carrier)의 선택성(selectivity)을 향상시켜 후면에서의 재결합 속도를 극도로 낮추고, 그 결과로 태양전지의 개방전압을 높일 수 있다. 즉, 태양전지에서는 광조사 후 형성된 전자와 정공의 분리 및 수집이 중요한데 전자와 정공, 즉 다수 캐리어와 소수캐리어의 선택적 수집 능력을 향상시켜 전자와 정공의 재결합을 낮추고 이를 통해 태양전지의 개방전압과 효율을 향상시키는 것이다. 

n-type 태양전지는 p-type 태양전지와 비교하여 최대순간전력 당 셀 가격이 약 1~1.3배 가량 높은 것이 사실이나, p-type에 비해 효율이 높기 때문에 발전단가(LCOE, Levelized Cost of Energy)의 경우 조건에 따라 대등하거나 오히려 더 낮을 수 있다. PV infolink의 최근 자료에 따르면 2025년 n-type 태양전지의 생산용량은 TOPCon 태양전지와 HJT가 양분할 것으로 예측되며 TOPCon 태양전지의 경우 약 70 GW이상이 될 것으로 보고되고 있다. 


 차세대 기술 이끈다! 고품질을 향한 한화큐셀의 노력 

태양광 모듈 제조 글로벌 탑티어(Top-tier)인 한화큐셀은 독일 작센안할트주 탈하임에 있는 글로벌 R&D센터에서 3,500만 유로(약 483억원)를 투자해 n-type 태양광 셀을 개발 중이라고 밝혔다. 한화큐셀은 n-type 기술을 활용한 태양광 모듈 '큐트론(Q.TRON)'을 생산, 판매할 계획이며, 과감한 투자와 기술적 탁월함을 바탕으로 시대를 선도하는 태양광 기술을 시장에 선보일 것으로 기대된다. 

한화큐셀의 n-type형 고출력 태양광 모듈의 개발은 재생에너지 3020 이행계획, 2050 탄소중립 추진전략을 성공적으로 이끄는데 크게 기여할 것으로 확신한다. 



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