태양광 모듈: PERC vs. TOPCon 태양 전지 기술

1954년 미국에서 개발된 최초의 태양전지는 N형이었지만, 이후 P형 태양전지가 주류를 이루게 되었습니다. 이는 초기에는 태양전지 모듈이 주로 항공우주 산업에 사용되었는데, P형 태양전지가 해당 분야에서 더 뛰어난 내구성을 보였기 때문입니다. 하지만 최근 들어 N형 태양전지의 높은 출력 성능이 주목받으면서 태양전지 제조업체들이 다시금 N형 태양전지에 주목하기 시작했습니다. N형 태양전지는 P형 태양전지와 달리 "붕소-산소 결함"에 취약하지 않아 수명이 훨씬 길기 때문입니다. 이 결함은 시간이 지남에 따라 효율을 저하시키는 원인이 됩니다. 또한, N형 태양전지는 실리콘 내 금속 불순물 발생 가능성도 낮습니다.

태양광(PV) 기술에서는 화학적 조성의 아주 미미한 차이조차도 효율과 경제성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 대표적인 예로 P형 태양전지와 N형 태양전지를 들 수 있습니다. 이 두 태양전지는 구조가 다릅니다. P형 태양전지는 양전하를 띤 실리콘 기판을 기반으로 하는 반면, N형 태양전지는 그 반대로 음전하를 띤 면이 셀의 기판 역할을 하도록 설계되었습니다.

하지만 N형 태양전지는 수십 년간 P형 태양전지에 집중해 온 탓에 현재 생산 비용이 더 높습니다. P형 태양전지 생산은 규모의 경제를 달성했지만, N형 태양전지 제조에는 아직 이러한 규모의 경제가 확립되지 않았습니다. 또한 N형 태양광 모듈 생산에는 추가적인 공정이 필요하여 비용이 더욱 증가합니다. 그럼에도 불구하고 N형 태양전지는 높은 효율 덕분에 시장 점유율이 꾸준히 증가하고 있으며, 머지않아 P형 태양전지를 제치고 주류 태양전지 기술이 될 것으로 예상됩니다.

최근 큰 화제를 불러일으킨 PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)와 TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact) 태양 전지 기술을 비교할 때도 두 가지 유형의 전지 간에 유사한 경쟁 구도를 볼 수 있다.

PERC 모듈은 입사광을 에너지로 더욱 효율적으로 변환하여 태양광 모듈의 효율을 향상시킵니다. 이는 셀 뒷면에 도달하는 빛의 일부를 다시 셀 내부로 반사함으로써 가능해지는데, 이를 위해 모듈 뒷면에 후면 패시베이션(backside passivation)이라는 층을 적용합니다. PERC 셀은 기존 모듈에 비해 효율이 1% 향상되어 kWp당 생산 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.

PERC 전지는 최대 효율을 달성하기 위해 주로 단일 웨이퍼를 사용합니다. 이러한 유형의 태양 전지는 최근 몇 년 동안 상당한 발전을 이루었습니다. 효율 향상으로 인해 전문 태양광 시스템에서 기존의 Al BSF 전지를 거의 완전히 대체하게 되었습니다. 하지만 PERC 전지는 결코 새로운 것이 아닙니다. 그 원리는 1983년 호주 뉴사우스웨일스 대학교에서 처음 설명되었습니다. 지속적인 생산 공정 개선을 통해서만 이 기술의 잠재력을 대량 생산에 완전히 활용할 수 있게 되었습니다.

하지만 PERC 기술에도 문제점이 없는 것은 아닙니다. 이 셀은 기존 셀보다 광유도 열화(LID)에 더 취약합니다. LID 현상은 태양 전지가 처음 빛에 노출된 후 성능이 저하되는 현상입니다. 또한 전위유도 열화(PID) 발생 위험도 더 높습니다. PID 결함은 전체 태양광 발전 시스템의 출력을 크게 감소시킬 수 있으므로 광범위한 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 투자자들은 PERC 셀이 IEC TS 62804 표준에 따라 PID 저항성 인증을 받았는지 특별히 확인해야 합니다.

프라이부르크에 위치한 프라운호퍼 ISE에서 개발된 TOPCon은 태양전지 기술의 떠오르는 스타입니다. 이 셀은 단면형과 양면형 모두 가능하며, PERC와 달리 주로 N형 웨이퍼를 사용합니다. TOPCon은 PERC보다 높은 효율 잠재력을 보여줍니다. 중국 제조업체 진코 솔라는 작년에 최대 23.53%의 효율을 달성한 단결정 양면형 N형 TOPCon 태양광 모듈을 선보이며 그 잠재력을 입증했습니다. 2021년에 발표된 롱지 솔라의 TOPCon 모듈은 더욱 뛰어난 성능을 보여주었습니다. P형 TOPCon 셀을 사용하여 25.19%의 효율을 달성하며 이 기술 분야에서 새로운 세계 최고 효율 기록을 세웠습니다. 빠른 발전 속도를 고려하면 이 기록이 경신되는 것은 시간 문제일 것으로 예상됩니다. 이러한 모듈에 대한 집중적인 연구는 앞으로도 오랫동안 기술 개발을 지속할 수 있도록 보장할 것입니다.

TOPCon 태양전지의 성능은 타의 추종을 불허하지만, PERC 기술이 여전히 시장을 장악하고 있습니다. 셀 효율이 지속적으로 향상되고 생산 비용이 동시에 감소함에 따라 이러한 추세는 당분간 지속될 것으로 예상됩니다.

하지만 TOPCon 셀은 탁월한 효율 덕분에 점차 주목받고 있습니다. 현재 높은 생산 비용이 이 유형의 태양광 시스템에 걸림돌로 작용하고 있습니다. 그러나 대량 생산이 확대됨에 따라 상당한 규모의 경제 효과가 기대되며, 이를 통해 TOPCon 모듈은 독일에서 PERC 기술의 강력한 경쟁자로 자리매김할 수 있을 것으로 예상됩니다. 프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(ISE)의 연구원들도 이를 뒷받침하고 있습니다. 다만, 그들에 따르면 TOPCon 모듈의 경제성을 확보하기 위해서는 제조 비용 절감뿐 아니라 PERC 셀 수준으로 생산량을 늘리는 것이 필수적입니다.

과학자들의 연구 결과에 따르면, TOPCon 기술은 5메가와트 용량의 지상 설치형 태양광 발전 시스템에서 PERC 기술에 비해 태양 전지 총 비용이 13.5~18.6% 더 높고, 모듈 총 비용은 3.6~5.5% 더 높은 것으로 나타났습니다. 그럼에도 불구하고, 프라운호퍼 ISE 연구진은 TOPCon 태양 전지의 효율이 양면형 p-PERC에 비해 0.4~0.55% 더 높아 비용 효율적인 대량 생산이 가능하다고 지적했습니다.

N형 태양전지든 P형 태양전지든 상관없이 태양광 모듈의 효율을 크게 높일 수 있는 방법이 있습니다. 바로 양면형 기술입니다. 단면형 태양전지는 윗면이 빛을 받을 때만 전력을 생산하는 반면, 양면형 태양전지는 윗면과 아랫면 모두에서 전력을 생산하도록 설계되었습니다. 이렇게 빛을 더 많이 흡수할 수 있어 모듈의 효율이 상당히 향상됩니다.

당연히 태양광을 직접 받는 윗면만큼 아랫면의 효율이 높지는 않습니다. 하지만 설치 위치, 지면과의 거리, 외부 환경 조건에 따라 아랫면의 일사량 증가로 인해 효율이 19% 이상 향상될 수 있습니다. 이는 전체 시스템 용량을 10~30Wp까지 증가시키는 효과를 가져올 수 있습니다. 예를 들어, 기존에 290Wp를 출력하던 모듈의 출력이 320~360Wp로 증가하는 것입니다.

양면형 조명 시스템을 설치할 때는 추가적인 빛 투과를 위해 아래 표면과의 충분한 거리를 확보하는 것이 중요합니다. 기와지붕이나 잔디와 같이 반사율이 낮거나 중간 정도인 표면의 경우 최소 40cm의 거리를 유지해야 합니다. 눈과 같이 반사율이 높은 표면의 경우 지면과의 거리는 1.5m 이상이어야 합니다.

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