염료 감응형 연료 전지를 위한
새로운 효율성 표준
스위스 로잔 연방공과대학(Ecole Polytec
nique Federale de Lausanne) 교수인 Michael Gratzel, Shaik Zakeeruddin 등과 중국과학원(Chinese Academy of Sciences) 창춘 연구소(Changchun Institute of Applied Chemistry)의 연구진은 용매를 사용하지 않는 염료 감응형 태양 전지(solvent-free dye-sensitized solar cell)를 공동으로 개발하여 일광 전환 효율(light conversion efficiency)을 8.2%까지 향상시켰다. 새로운 기술의 핵심은 전해질 용액(electrolyte solution)으로 휘발성 유기 용매(VOC; volatile orga
nic solvent)를 사용하는 대신 고체 염(solid salt) 혼합물을 적용하는 것이다. 이러한 재료의 변형을 통하여 장시간 빛과 열의 노출에 안전하며 가볍고 저렴하며, 유연성이 있는 염료 감응형 태양 전지(DSSC; dye-sensitized solar cell) 박막을 대규모로 실외에서 적용하게 될 전망이다.
1990년대 Gratzel이 개발한 염료 감응형 태양 전지 기술은 값비싼 실리콘 태양 전지의 저렴한 대안으로 유망하다는 사실을 보여 주었다. DSSC는 식물과 조류가 일광을 에너지로 전환하는 방법을 모방하여 구현했다. 이러한 전지는 이산화티타늄(titanium dioxide, TiO2)으로 구성된 나노미터 크기의 백색 염료 입자의 다공성 박막으로 이루어진다. 즉 감광 염료로 코팅된 TiO2 입자로 된 메조스코픽(mesoscopic) 층을 갖고 있는 구조다. 빛이 조사되면 염료로부터 주입된 전자가 TiO2에 흡수되고 이것은 TiO2의 전도 밴드에 전달된 다음 후면의 접촉부로 모아져서 외부 회로에 의하여 전송된다. 이후 전해질 용액과 접촉이 되어 있는 상태의 염료층을 밀봉한다. 태양 복사가 염료와 충돌하면 색소 나노 입자 내에 음전하가 유발되고, 전해질로 양전하가 접근하여 일광이 전기 에너지로 전환된다. DSSC는 기존 실리콘을 기반으로 하는 태양 전지와 비교했을 때 빛과 열에 대한 장시간 노출에도 견딜 수 있으며, 저렴하고 용이하게 에너지를 생산할 수 있다. 현재 이산화티탄을 근간으로 하는 DSSC는 전반적인 일광 전환 효율은 11% 미만으로 실리콘 태양 전지 기술보다 약 2배 가량 낮다.
DSSC의 주요 방해 요인은 VOC로 구성된 전해질 용액으로, 전해질 용액은 주의 깊게 밀봉될 필요가 있다. 용매가 플라스틱에 스며들기 때문에 VOC로 구성된 전해질 용매는 대규모 실외 적용과 유연성 있는 구조로의 통합을 불가능하게 하는 요인으로 작용해 왔다. 이러한 제약을 극복하기 위하여 Gratzel 연구진은 새로운 개념을 발전시켰다. 즉 전해질 용액으로 유기 용매를 사용하는 대신 세 가지 고체 염(solid salt) 혼합물을 적용했다. 세 가지 고체 성분이 적절한 비율로 혼합될 때 이러한 성분은 뛰어난 안전성과 효율성을 나타내며 용해됐다. GTB

태양 에너지의 새로운 지평을 열
유기 태양열 집광 장치
MIT 전기공학과 연구진은 새로운 태양열 집광 장치(solar concentrator)를 개발하여 빛을 창문처럼 큰 면적에 걸쳐 포집 및 집광할 수 있게 됐다. 그 결과 값비싼 태양 전지로 지붕을 덮는 대신에 태양 전지는 평편한 유리 판넬(glass panel)로 가장자리를 둘러싸기만 하면 된다. 부가적으로 집중된 빛은 40여개 이상의 요인에 의해 각 태양 전지로부터 얻어진 전력을 증가시킨다고 이 연구의 책임자인 Marc A. Baldo 교수는 밝혔다. 이 시스템은 제조가 간단하기 때문에 연구진은 3년 이내에 상용화가 가능하며, 최소의 부가 비용으로 약 50% 가까이 태양 전지의 효율성을 증대시킬 것으로 전망했다. 또한 이 시스템은 태양 전기(solar electri
city)의 비용을 크게 낮출 것으로 예측됐다.
Baldo 연구진이 고안한 장치는 광학 추적(optical tracking) 없이 우수한 태양열 집광(solar conversion)을 달성하기 위한 혁신적인 디자인을 이용한다. Baldo 프로젝트는 우수한 기초 연구가 비용 효율적인 방식으로 태양 에너지 이용에 큰 진보를 달성할 수 있다는 사실을 증명했다.
현재 이용되고 있는 태양열 집광 장치는 높은 빛의 밝기(optical intensity)를 얻기 위하여 태양을 추적하도록 고안되어 있으며, 종종 거대한 이동이 가능한 거울을 이용한다. 그러나 거울의 이용은 개발과 유지에 고가의 비용을 요한다고 연구진은 지적했다. 게다가 거울의 초점(focal point)에서 태양 전지는 냉각될 필요가 있으며, 인접해 있는 집광 장치의 그림자 효과(shadowing)를 피하기 위하여 주변 공간의 낭비가 발생한다.
MIT 연구진이 개발한 태양열 집광 장치는 염료(dye) 기반의 유기 태양열 집광 장치(organic solar concentrator)로 추적 시스템과 냉각 시스템(cooling system)을 사용하지 않기 때문에 기존의 다른 집광 장치 기술과 비교했을 때 비용을 크게 낮출 수 있다. 유기 태양열 집광 장치는 유리 또는 플라스틱 판넬 위에 2개 이상의 염료 혼합물을 코팅한다. 유리 위에 코팅된 염료 분자는 일광을 흡수하고 다른 파장을 갖는 빛을 다시 방출한다. 빛은 가장자리의 태양 전지에 의하여 빛이 포획될 때 까지 유리 내에서 이동하거나 잡혀 있다. 어떤 빛은 집광 장치를 통과하고, 어떤 빛은 더 낮은 전압의 태양 전지 아래로 흡수된다. 부분적으로 전달이 가능한 이러한 집광 장치가 창문의 기능을 한다. 1970년대에 유사한 태양 집광 장치가 플라스틱에 염료를 입혀 개발된 바 있다. 그러나 이러한 아이디어는 빛을 충분하게 포집할 수 없어 폐기됐다. MIT 연구진은 레이저에 적합하게 개발된 광학 기술과 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode)를 통하여 새로운 태양열 집광 장치를 구현했다. 특정 비율로 혼합된 염료 혼합물은 유리 표면에 적용되어 빛의 흡수와 발산을 제어한다. 빛 이동에 의한 소실을 지속적으로 낮추어 최소화하였으며, 그 결과 태양 전지로 전환되는 동력은 10배 가까이 증가했다.
2008년 4월 30일 미국 에너지부는 저비용 집광형 태양열 발전(CSP; Concentra
ting Solar Power) 기술 개발에 6천만 달러(약 600억원) 규모의 태양열 기금(FOA; Solar Funding Opportunity Announ
cement)을 향후 5년(회계연도 2008-2012)에 걸쳐 지원한다고 발표한 바 있다. 이러한 지원은 에너지원 다변화를 통한 온실가스 감축을 실현하기 위해 태양 에너지 사용을 증진시키는 데 그 목적이 있다. GTB

태양전지, 실리콘 절약
샤프, 화합물로 「집광형」
최근 신형 태양전지의 개발이 가속되고 있다. 샤프는「집광형」에서 최고 최고의 집광 배율을 보이는 셀을 개발했으며, 三洋電機는 실리콘 사용량을 삭감할 수 있는「박막형」개발을 위해 60억 엔을 투자하겠다고 발표했다. 실리콘 웨하를 얇게 잘라서 만드는 종래형 태양전지는 재료가 핍박을 받고 있다는 것이 배경. 신기술의 개발, 실용화를 서둘러 성장이 두드러지고 있는 해외 메이커에 대항해 나간다.
三洋은 「박막형」연구
실험설비 등 60억 엔 투자
三洋電機는 지난 4월에 岐阜사업소(岐阜縣 安八町)에 태양전지를 위한 새 연구 설비를 개설했다. 실험설비 등에 08년도부터 3년 동안 약 60억 엔을 투자하여, 2012년을 목표로 박막형 태양전지를 실용화시킬 계획이다.
사용량 1/100로
유리 기판 등이 실리콘의 박막을 형성하는 박막형 태양전지는 실리콘웨하를 0.2밀리 정도로 얇게 하여 만드는 결정 실리콘형에 비해 실리콘 사용량이 100분의 1정도이면 된다. 실리콘웨하는 반도체의 재료이기도 하므로 수급이 원활하지 못한 상태에 있으므로, 三洋電機는 박막형의 실용화로 재료 부족에 대응한다.
박멱형은 카네카나 샤프 등이 소규모이지만 이미 사업화했다. 샤프는 奈良縣 葛城市의 공장에 올 19월까지 220억 엔을 투자하여 박막형의 생산능력을 현재의 연간 15메가와트에서 연 160메가와트로 증강할 것을 결정했다.
박막형과 함께 존재감을 키우고 있는 것이 혼다와 昭和쉘석유 등이 다루고 있는 「금속화합물형」이라고 불리는 타입. 구리나 인듐, 셀렌 등의 화합물을 얇은 막 모양으로 하여 만드는 태양전지로, 실리콘 자체를 사용하지 않는다. 혼다가 올해부터 주택용으로 판매를 개시한 이외에 昭和쉘은 宮崎縣의 새 공장에 150억 엔을 투자하여 09년 상반기까지 생산능력을 현재의 4배로 확대한다.
인공위성용 태양전지를 지상에 응용하는「집광형」과 색소가 빛을 흡수하여 전자를 방출하는 구조를 이용하여 발전하는 「색소증감형」을 연구개발도 활발하다. 샤프는 집광배율이 세계최고인 집광형 셀을 개발한 이외에 색소증감형에서도 전력변환효율이 7.9%로 세계 최고의 셀을 개발했다. 색소증감은 변환효율이 타 방식에 비해 낮으며 수명이 짧다는 문제점이 있지만, 결정실리콘형이나 박막형에서 사용하는 진공장치가 필요치 않아 제조원가를 대폭 삭감할 수 있으리라는 공산(公算)이 있다.
기후에 따라 구분하여 사용
세계의 태양전지 수요는 2006년에 전년대비 40% 증가한 2천5백 메가와트가 되는 등 급격하게 확대되고 있다. 현재의 주류는 실적이 풍부한 다결정 실리콘으로, 보다 발전효율이 높은 반면, 원가가 비싼 단결정 실리콘과 시장을 양분하고 있다. 박막형이나 금속화합물형 등 새로운 타입의 태양전지가 시장을 차지하는 비율은 몇 %에 지나지 않지만, 실리콘 부족을 배경으로 앞으로는 존재감이 더해져 나갈 것 같다. 그 때에 열쇠가 되는 것이 태양전지 도입지역의 확대이다. 태양전지의 설비실적이 많은 것은 일본이나 독일 등 온대기후 지역이 중심이 되고 있다. 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘이나 표면온도가 올라가면 발전효율이 떨어지는 성질이 있어 더운 지역에서는 다른 방식이 유리하다는 견해도 있다. 샤프에서는 동남아시아 등에서는 박막형 태양전지를, 중근동 등에서는 집광형 태양전지를 판매의 주축으로 삼을 생각. 박막형과 집광형은 온도가 올라가도 발전효율이 잘 떨어지지 않는다. 단, 집광형은 온도가 높으면 빛이 확산되기 쉬우므로 건조지역에 적합하다. 일간공업