한화큐셀 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 분석

한화큐셀 페로브스카이트 탠덤 태양전지, 세계 최초 상용화 인증 돌파

한화큐셀이 개발한 차세대 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지가 2025년 5월 세계 최초로 국제 신뢰성 인증을 통과하며 태양광 산업의 새로운 전환점을 맞이했다. 이번 성과는 '꿈의 태양전지'로 불리는 탠덤 기술의 상용화가 현실에 한 발 더 가까워졌음을 의미하며, 기존 실리콘 태양전지 대비 1.5배 높은 효율성을 바탕으로 글로벌 태양광 시장의 패러다임 변화를 예고하고 있다. 한화큐셀은 2024년 12월 28.6%의 세계 최고 발전 효율을 기록한 데 이어, TUV 라인란드의 까다로운 신뢰성 테스트를 통과함으로써 기술적 완성도와 상업적 실현 가능성을 동시에 입증했다.

탠덤 태양전지 기술의 혁신성과 원리

탠덤 태양전지는 서로 다른 두 개 이상의 태양전지 셀을 상하로 적층하여 만든 차세대 태양광 기술로, 각각의 셀이 서로 다른 파장 영역의 빛을 흡수함으로써 태양광의 활용 범위를 극대화하는 방식이다. 기존의 실리콘 단일 접합 태양전지가 이론적으로 약 29-33%의 효율 한계를 가지는 반면, 탠덤 구조의 태양전지는 이론적 한계 효율이 44%에 달해 기존 기술 대비 50% 이상 높은 성능을 구현할 수 있다.

페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀의 구조에서 상단의 페로브스카이트층은 주로 가시광선과 자외선 영역의 단파장 빛을 흡수하고, 하단의 실리콘층은 적외선 영역의 장파장 빛을 흡수하여 상호 보완적으로 작동한다. 페로브스카이트는 ABX₃의 일반 화학식을 가진 물질로, 두 개의 양이온과 하나의 음이온이 결합된 특별한 결정 구조를 가지며, 뛰어난 광 흡수 능력과 높은 광전 변환 효율을 보여준다. 이러한 구조적 특성 덕분에 페로브스카이트는 박막화가 가능하고 조성 변화에 따라 투명도를 조절할 수 있어 적용 범위가 매우 넓은 소재로 평가받고 있다.

기술적 우위와 성능 특성

탠덤 태양전지의 가장 큰 장점은 효율성의 극대화이다. 일반적인 실리콘 태양전지는 특정 파장 영역의 빛만을 흡수할 수 있어 태양광 스펙트럼의 상당 부분을 활용하지 못하는 한계가 있었다. 그러나 탠덤 구조에서는 각 층이 서로 다른 파장을 담당함으로써 태양광의 광범위한 스펙트럼을 효과적으로 포착할 수 있다. 또한 페로브스카이트 소재는 기존 실리콘 대비 기후와 날씨의 영향을 덜 받는다는 장점이 있어, 다양한 환경 조건에서도 안정적인 발전 성능을 유지할 수 있다.

탠덤 태양전지는 내구성 측면에서도 우수한 특성을 보인다. 제조 과정에서 각 셀을 보호하는 층을 금속으로 코팅하기 때문에 열이나 수분에 대한 내구성이 강화되며, 페로브스카이트층 위에 자외선을 가시광선으로 전환하는 박막을 코팅하여 자외선으로 인한 손상을 최소화할 수 있다. 이러한 기술적 특성들로 인해 탠덤 태양전지는 태양광 발전 산업의 '게임 체인저'로 불리며 차세대 기술의 핵심으로 자리매김하고 있다.

한화큐셀의 기술적 성과와 세계 기록

한화큐셀은 2024년 12월 양산에 적합한 대면적 M10 규격(330.56㎠)의 페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀을 자체 개발하여 28.6%의 발전 효율을 달성했다. 이는 현재까지 글로벌 태양광 셀 업계에서 탠덤 셀 분야의 최고 효율 기록으로, 독일 프라운호퍼 태양에너지 시스템연구소로부터 공식 인증을 받았다. 특히 이번 성과는 연구용 소면적(1㎠)이 아닌 현재 시중에 유통되는 모듈에 실제 적용이 가능한 M10 규격에서 달성된 것이어서 상용화 측면에서 매우 중요한 의미를 갖는다.

한화큐셀의 탠덤 셀 기술은 기존의 Q.ANTUM 실리콘 플랫폼을 하부 셀로 활용하고, 독자 개발한 페로브스카이트 기술을 상부 셀에 적용하는 방식으로 구현되었다. 이러한 접근 방식은 기존에 대규모 양산 중인 실리콘 기술의 안정성과 새로운 페로브스카이트 기술의 혁신성을 결합함으로써 상용화 가능성을 크게 높였다12. 회사는 독일 탈하임 R&D 센터에서 2015년부터 탠덤 기술 연구를 지속해왔으며, 이를 통해 축적된 기술력이 이번 성과의 바탕이 되었다.

국제 인증 획득의 역사적 의미

2025년 5월, 한화큐셀의 탠덤 모듈이 글로벌 태양광 인증기관인 TUV 라인란드의 신뢰성 테스트를 통과함으로써 세계 최초로 상용 규격 탠덤 모듈이 제3자 기관으로부터 신뢰성 인증을 획득하게 되었다. 이 인증은 국제전기기술위원회(IEC)와 미국 안전시험기관(UL)의 국제 표준을 기준으로 진행되었으며, 현재 시중에 판매되고 있는 실리콘 모듈에 적용되는 내구성과 신뢰성에 대한 국제 표준 테스트 4개 항목에서 모두 합격점을 받았다.

이번 인증 획득은 단순한 기술적 성과를 넘어서 제품 상용화에 맞춰 대량 생산 체제로 전환하는데 문제가 없을 정도로 기술적 수준이 완성되었다는 의미를 갖는다. 특히 탠덤 기술 특성상 까다로운 전력 측정 제한사항을 고려할 때, 이러한 스트레스 테스트를 통과한 것은 탠덤 태양광 기술에 있어 진정한 전환점이라고 평가된다. 한화큐셀의 다니엘 머필드 글로벌 최고기술책임자는 "큐셀이 알기로는 탠덤 특화 제한사항을 고려한 전력 측정에서 이러한 스트레스 테스트를 통과한 탠덤 모듈에 대한 첫 번째 보고"라며 이번 성과의 역사적 의미를 강조했다.

상용화 전망과 시장 파급효과

한화큐셀은 2027년 상반기를 목표로 탠덤 모듈의 대량 생산에 착수할 계획이며, 초기에는 한국 진천 공장에서 생산을 시작하고 이후 북미 시장을 위해 미국 조지아주 카터스빌 공장으로 확대할 예정이다. 유럽 지역에 대한 출시도 추후 계획되어 있어 글로벌 시장 전반에 걸쳐 탠덤 기술의 상용화가 본격화될 것으로 전망된다. 이러한 일정은 중국의 주요 경쟁사들인 LONGi, JinkoSolar, JA Solar보다 1-2년 앞선 것으로 평가되어, 한화큐셀이 탠덤 기술 분야에서 선도적 지위를 확보할 가능성이 높다.

태양광 에너지 시장 전문가들은 탠덤 모듈이 2033년까지 태양광 시장의 30%를 차지하고, 2040년경에는 완전한 시장 채택이 이루어질 것으로 전망하고 있다. 이는 탠덤 기술이 단순히 기술적 혁신에 그치지 않고 실제 시장에서 기존 기술을 대체하는 주류 기술로 자리잡을 것임을 의미한다. 특히 탠덤 태양전지의 높은 효율성은 제한된 설치 공간에서 더 많은 전력을 생산할 수 있게 해주어, 도시 지역이나 대규모 태양광 발전 단지에서 경제성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.

경제성과 환경적 영향

탠덤 태양전지의 상용화는 태양광 발전의 경제성을 근본적으로 개선할 것으로 예상된다. 기존 실리콘 태양전지 대비 1.5배 높은 효율성은 동일한 면적에서 더 많은 전력을 생산할 수 있음을 의미하며, 이는 발전 단가 절감과 투자 회수 기간 단축으로 이어질 것이다. 또한 페로브스카이트 소재의 경우 실리콘에 비해 가격이 저렴하고 제조 공정이 상대적으로 간단하여 대량 생산 시 비용 경쟁력도 확보할 수 있을 것으로 분석된다.

환경적 측면에서도 탠덤 기술은 탄소 중립 목표 달성에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 높은 효율성은 동일한 전력 생산을 위해 필요한 설치 면적을 줄여주어 토지 이용의 효율성을 높이고, 태양광 발전의 확산을 가속화할 수 있다. 이는 화석 연료 의존도 감소와 온실가스 배출 저감에 직접적으로 기여하며, 지속 가능한 에너지 전환을 앞당기는 중요한 동력이 될 것이다.

기술적 도전과 해결 방안

탠덤 태양전지의 상용화 과정에서는 여러 기술적 도전들이 존재한다. 가장 주요한 문제는 서로 다른 특성을 가진 페로브스카이트 셀과 실리콘 셀 간의 호환성 문제이다. 두 셀 사이의 열적, 기계적, 화학적, 전기적 특성이 달라 이들을 안정적으로 결합하는 것이 기술적으로 까다로운 과제였다. 특히 페로브스카이트 셀은 압축되었을 때 큰 극성을 띠지만 실리콘의 경우 작은 극성을 띠기 때문에 두 소재를 효과적으로 접합할 수 있는 중간 소재를 찾는 것이 중요한 기술적 과제였다.

한화큐셀은 이러한 문제들을 해결하기 위해 독자적인 공정 기술을 개발했다. 특히 대면적에서 균일한 페로브스카이트 코팅과 결정 성장을 제어하는 기술, 그리고 양산에 적합한 공정 개발과 자체 장비 개발을 병행하여 성공적으로 대면적화 기술을 구현했다. 또한 투명 필름의 두께 최적화를 통해 자외선 차단 효과와 광 투과율, 전기 전도도 간의 균형을 맞추는 기술도 개발했다.

내구성과 신뢰성 확보

탠덤 태양전지의 또 다른 중요한 과제는 장기간 사용에 대한 내구성과 신뢰성 확보였다. 여러 층으로 구성된 탠덤 구조에서는 한 층이 손상되면 전체 시스템의 성능이 급격히 저하될 수 있는 위험이 있었다. 한화큐셀은 이러한 문제를 해결하기 위해 각 층을 보호하는 견고한 코팅 기술과 함께, 장기간의 스트레스 테스트를 통해 제품의 내구성을 검증했다. TUV 라인란드의 신뢰성 테스트 통과는 이러한 기술적 완성도가 국제 표준 수준에 도달했음을 입증하는 중요한 이정표였다.

화학적 안정성 측면에서도 한화큐셀은 제조 공정의 정밀도를 높여 결함 발생을 최소화하고, 회전 및 증착 과정에서의 균일한 확산을 보장하는 기술을 개발했다. 이러한 공정 개선을 통해 탠덤 셀의 화학적 불안정성 문제를 해결하고 화재나 고장 위험을 크게 줄일 수 있었다.

글로벌 경쟁력과 시장 지위

한화큐셀의 탠덤 기술 성과는 글로벌 태양광 시장에서 한국 기업의 기술 경쟁력을 보여주는 중요한 사례이다. 중국의 주요 태양광 기업들이 저가 경쟁을 통해 시장을 주도해온 상황에서, 한화큐셀은 혁신적인 기술력을 바탕으로 차별화된 경쟁 우위를 확보했다. 특히 상용 규격에서의 세계 최고 효율 달성과 국제 인증 획득은 기술적 선도성을 입증하는 결정적 증거로 평가된다.

업계 관찰자들은 한화큐셀이 중국 경쟁사들보다 1-2년 앞서 탠덤 기술을 상용화할 가능성이 높다고 분석하고 있다. 이는 단순히 기술 개발 시점의 차이가 아니라, 제품의 신뢰성과 상업적 실현 가능성에서 확실한 우위를 보여주는 것이다. 한화큐셀의 홍정권 대표이사는 "세계 최초로 탠덤 셀 양산에 성공하고 기술 경쟁력을 바탕으로 글로벌 태양광 시장을 주도해 나가겠다"고 밝혀 시장 선도 의지를 강조했다.

투자와 R&D 역량

한화큐셀의 탠덤 기술 성과는 지속적인 연구개발 투자의 결실이다. 한화솔루션은 탠덤 셀 개발을 위해 1조 5천억 원 규모의 대규모 투자를 단행했으며, 독일 탈하임 R&D 센터, 한국 진천 공장, 판교 R&D 센터 간의 유기적 협업 체계를 구축했다. 이러한 글로벌 R&D 네트워크는 기초 연구부터 상용화까지의 전 과정을 체계적으로 관리할 수 있는 역량을 제공하며, 지속적인 기술 혁신의 기반이 되고 있다.

특히 한화큐셀은 기존의 Q.ANTUM 실리콘 기술과 새로운 페로브스카이트 기술을 결합하는 독특한 접근 방식을 통해 기술적 위험을 최소화하면서도 혁신성을 확보했다. 이는 검증된 기술의 안정성과 신기술의 혁신성을 동시에 활용하는 균형 잡힌 전략으로 평가된다.

결론

한화큐셀의 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 기술은 태양광 발전 산업의 새로운 지평을 열었다. 28.6%의 세계 최고 효율 달성과 세계 최초 국제 신뢰성 인증 통과는 단순한 기술적 성과를 넘어 차세대 태양광 기술의 상용화 가능성을 현실로 만든 역사적 성과이다. 2027년 상용화를 목표로 하는 한화큐셀의 탠덤 기술은 태양광 발전의 효율성과 경제성을 근본적으로 개선하여 재생에너지 전환을 가속화할 것으로 기대된다.

이번 성과는 한국이 글로벌 신재생에너지 기술 경쟁에서 선도적 지위를 확보했음을 보여주는 중요한 사례이기도 하다. 중국 기업들의 저가 공세에 맞서 기술 혁신을 통한 차별화 전략이 성공적으로 결실을 맺었으며, 이는 다른 한국 기업들에게도 중요한 시사점을 제공한다. 탠덤 태양전지 기술의 상용화는 태양광 시장의 패러다임을 바꿀 게임 체인저가 될 것이며, 탄소 중립 목표 달성과 지속 가능한 에너지 미래 구축에 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다.

Citations:

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