프린팅 기법을 이용한 고효율 유기 태양 전지
지난 5년간, 지구 온난화의 문제가 심화되고 이를 해결하기 위한 방법에 대한 관심이 더욱 증가하면서 광전지(photovoltaic)와 같은 경제적인(cost effective) 대체 에너지(alternative energy)에 대한 연구가 크게 증가하였다. 특히, 유기광전지소자(organic photovoltaic device)는 가볍고 구부러질 수 있기 때문에(flexible) 크게 관심을 받고 있으며, 유기광전지소자를 이용한 태양전지는 개인을 위한 자가 발전되는 전자신문에서부터 자가 가동되는 빌딩에 이르기까지 폭 넓은 응용이 가능할 것으로 보인다.
유기분자재료는 저온공정으로 처리될 수 있기 때문에, 유기 태양전지를 프린팅(printing)기법으로 제조할 수 있다는 것도 주목해야할 사항이다. 유기광전지제조에 있어서 프린팅기법을 사용할 수 있다는 것은 후에 이를 빛으로 동작하는 플라스틱 전력원으로 이용할 수 있다는 것을 뜻하기도 한다.
현재는 폴리머 도너(donor)와 플로렌 억셉터(fullerene acceptor)를 혼합한 재료에 기반한 BHJ(bulk heterojuction) 구조가 가장 효율이 높은 재료라고 알려져 있지만, 그 성능은 재료의 특성 자체와 혼합 구조의 공정 조건에 따라 변화한다.
10여년 전 처음으로 BHJ 소자가 보고된 이후에, 전력 변화 효율(power conversion efficiency)에 있어서 모든 중요한 특성들은 그 형태적인 특성(morphological property)을 변화시킴으로써 향상될 수 있다고 알려져 왔다. 폴리머와 플로렌을 결합한 것에 대한 형태 특성은 여러 가지 공정 조건을 변화시켜서 조절할 수 있다는 것이 많은 연구를 통해 밝혀졌는데, 그러한 조건으로는 용매 선택, 열처리 조건, 건조율, 폴리머 도너(donor)의 화학적 특성, 추가제(additive)와의 결합 특성 등이 있다.
하지만, 지금까지 발표된 대부분의 연구들은 스핀 코팅(spin coating) 기법이나, blading 공정을 이용한 것이었고, 이는 유기 태양전지를 상용화할 것을 예상할 때에는 적절하지 않은 기법이었다. 그런데 최근 독일의 연구팀에 의해 상용화에 적합한 프린팅(printing)기법을 이용하여 효율이 높은 유기 태양전지를 개발한 연구가 있어 이를 소개하고자 한다. 이 연구는 8월 7일자 online으로 ‘Printing highly efficient organic solar cells’라는 제목으로 Nano Letters에 발표되었다.
유기전자소자를 위한 프린팅기법은 gravure이나 스크린 프린팅 등이 있는데, 그 중에서도 가장 기존의 산업과 호환성이 높다고 알려진 것은 잉크젯(inkjet) 프린팅 기법이다. 이는 다양한 기판 물질에 적용될 수 있고, 잉크 재료가 기판에 직접적인 컨택이 없이 전달될 수 있는 기법이다. 또한 이 기법은 매우 정교한 패턴을 만들 수 있고, 높은 해상도를 나타낸다.
연구팀은 폴리머와 플로렌을 결합시킨 재료를 이용하여 적절한 형태 구조를 만들고, 잉크젯 프린팅기법을 이용하여 유기태양 전지를 제조하였다. 연구팀은 이러한 잉크젯 프린팅 기법에 관계된 여러 가지 공정 조건을 조절하여 효율을 조절할 수 있음을 증명하였다. 연구팀이 이용한 실험 조건들은 용매, 건조 상황, 화학적 재료의 특징 등이다.
이번 연구 결과를 이용하면 높은 효율을 갖는 유기태양전지의 상용화에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것이라고 연구팀은 전망하고 있다. GTB

냉각 법으로 태양전지 제조사의
관심을 끈 IBM
IBM은 고성능 컴퓨터 칩을 냉각하기 위해 보편적으로 사용되는 기술을 사용하여 태양 에너지를 전기로 더욱 효율적으로 변환하는 밀집된 광발전 전지를 만드는 법을 발견했다.
회사관계자에 따르면 그 기술은 PV전지를 녹이지 않고 광발전 전지에 빛의 집중도를 10배 정도까지 증가시킬 수 있다고 한다. 바꿔 말하면, 이 능력은 PV전지에서 사용가능한 전기적 에너지양을 5배 정도까지 눈에 띄게 끌어 올릴 수 있다.
뉴저지의 Yorktown Heights에 있는 IBM의 T.J. Watson 연구 센터 내 광전지 연구 책임과학자 Supratik Guha에 따르면 태양광산업의 가장 큰 도전 중 하나는 집중된 태양광에 의해 생성된 굉장한 열을 어떻게 잘 극복 하는가이다. Guha는 IBM은 컴퓨터 칩을 냉각할 때, 같은 문제점에 직면했다고 한다. 최첨단 기술의 칩은 밀집된 PV 전지가 견디는 가열정도와 유사한 100w/cm2을 발열한다. “칩의 온도를 올릴수록, 그 효율은 낮아진다”고 과학자들은 얘기하며 “이를 유지하려면 온도를 낮춰야 한다”고 한다.
일반적으로 더 낮은 온도로 낮추기 위해 두 가지 방법이 사용되고 있다고 Guha는 말한다. 첫 번째 방법은 수동식 열흡수기를 설치하는 것이고, 두 번째 방법은 보통 높은 온도 시스템에서 사용하는데, 열흡수기를 통해 퍼 올리는 물을 사용하는 것이다.
Guha는 PV전지와 수냉 열 흡수기 사이의 열전달을 향상시키기 위해 최근에 컴퓨터 칩에 사용되고 있는 IBM이 개발한 재료를 선택했다.
Guha는 “구리 열흡수기 위에 칩을 놓는다면, 계면 간 열전달은 온도를 낮게 유지하기엔 충분히 좋지는 않다”고 한다. 그는 이것이 두 표면에서 미세하게 움푹 들어간 곳에 의해 상대적으로 작은 표면 접합이 있다는 것을 의미한다고 한다. 이러한 이유로 PV 제조사들은 열적 계면으로 사용하기 위해 다양한 유기 혼합물을 사용하는 추세라고 Guha는 말한다. 그는 각 재료들이 열전달에 효율적이지 못한 것이 문제라고 말한다.
IBM의 해결책은 액체 금속의 아주 얇은 층을 놓는 것이다. “주된 이점은 이것이 금속이므로 아주 높은 열 전도성을 갖는다는 것이다”라고 Guha는 말한다. 그는 “이것이 액체이기 때문에 10㎛정도의 매우 얇은 층으로 만드는 것이 가능하다”고 덧붙인다.
Guha는 이 해결책이 1cm2 PV전지에 태양의 자연발생적 에너지를 같은 양으로 2,300번 집중시키는 것을 가능하게 했다고 말한다.
냉각 없이 이 온도일 경우 철을 녹일 수 있다고 한다. PV전지 온도는 1,500℃를 초과할 수도 있으므로 기화될 수도 있다. Guha는 액체 금속과 수냉시스템을 이용하면 PV재료는 85℃에 머물러 있다고 한다.
Guha는 회사가 태양열에너지시장으로 사업을 확장하는 계획을 세우지 않고 있다며, 전망이 밝은 그의 기술 소식에 무관심하다고 말한다.
IBM은 대신 기술인가에만 흥미를 갖는다고 과학자들은 말한다.(IBM은 집약된 PV전지를 위한 액체 금속 냉각 시스템 시제품이 과열되지 않고 몹시 집중된 태양에너지 견뎌낼 수 있다고 한다). ACB
티타늄 산화물 결정을 만든 UQ팀
Queensland대학의 호주 나노기술 생명공학 연구소의 Max Lu교수는 세계는 비용적 측면에서 효율적인 태양에너지의 궁극적 목표에 한걸음 다가섰다고 말하며, 그의 연구팀의 최근 태양전력에서의 큰 발전에 감사해한다.
Lu는 “우리는 세계에서 가장 먼저 반응 면을 많이 가진 거의 불가능하다고 예견된 티타늄 산화물 단결정을 성장시켰다”고 한다.
두 차례에 걸쳐 Australian Research Council Federation Fellowship을 수상한 Lu는 이 연구를 위해 15년을 투자했다.
그는 결정이 태양광을 흡수하여 전기로 변환한다고 설명한다. “우리 기술의 놀라운 점은 아주 단순하고 비용이 적게 드는 것이다”라고 그는 말한다. “이 연구로 필요한 조건을 밝혔으며, 그 방법은 오븐에 굽는 것과 같고, 결정은 도료 같은 것에 적용될 수 있다”
Lu는 티타늄 산화물 결정이 공기나 물을 정화하는데 사용될 수 있다고 생각한다. 하지만, 두 가지에 대한 적용은 시장으로 나오기까지 시간이 더 들것이다. Lu는 이 결정이 10년 안에 태양 전력에서 상업적으로 사용될 것이고, 5년 안에 공기와 물 정화에 사용될 것이라고 추정한다.(Sean Smith 교수(오른쪽에서 두 번째)와 세계 최초로 티타늄 산화물 단결정을 성장시킨 연구 팀에 둘러싸인 Queensland 대학 교수 Max Lu). ACB

페인트를 이용한 전기 생산
태양전지는 대표적인 재생에너지인 태양에너지를 이용한다. 기존의 실리콘 소재를 기반으로 하여 나노 소재, 폴리머 소재를 이용한 태양전지의 개발 및 박막화 등이 활발히 연구되고 있다. 이런 박막화 이외에도 도포기술을 이용한 태양전지의 개발도 한창 이루어지고 있다.
스완시대학(Swansea University) 재료연구실에서는 건물 클래딩(cladding)에 흔히 사용되는 유연한 철판 표면에 태양전지를 칠하는 방식이 연구되고 있다. 페인트가 햇빛과 반응하고 분해되는 과정을 연구하던 것을 태양에너지를 포획하는 새로운 광전지 기법에 확대 적용하여 성과를 이루었다. 부식방지 및 내구성 증진을 위해 시작된 산학협력 활동이 가치 있는 결과를 낳은 예이다.
일반적인 태양전지와는 달리, 스완시대학에서 개발된 재료는 미광복사에너지(low light radiation)를 포획하는데 더 효율적이며, 영국과 같은 기후에서 적합하게 이용될 수 있다는 장점이 있다.
공학자연과학연구회(EPSRC:Engineering and Physical Sciences Research Council) 는 이 연구성과에 대해 150만 파운드를 3년간 지원하기로 하였다. 스완시대학은 이제 뱅거대학(Bangor University), 바스대학(University of Bath) 및 런던왕립대학(Imperial College London)과 함께 철강업체에서 상업적으로 사용 가능한 광전지 물질의 개발을 서두르고 있다.
페인트는 철판 제조공정에서 철판이 롤러를 지나갈 때 도포되는데, 이런 방식으로 태양전지 시스템 층을 철판 표면에 입힐 수 있다. 연구팀의 목표는 분당 30~40제곱미터의 유연한 철판 표면을 도포하는 것이다.
이 제품의 잠재력은 대단할 것으로 여겨진다. 일례로 Corus Colours 사가 생산하는 건축 클래딩용 철판의 양은 매년 1억 제곱미터인데, 이의 표면에 광전지 물질을 적용하게 되면 약 5%의 에너지 절감 효과가 있을 것으로 기대되며, 매년 4,500기가와트의 전기를 생산할 수 있다는 계산이 나온다. 이는 약 풍력발전기 50기 분량에 해당한다. GTB

CIGS 태양전지 모듈로 높은 변환효율(15.9%) 실현
지구온난화 대책의 중요성이 높아지면서 태양광발전의 기대도 점점 더 높아지고 있다. 세계 태양전지 생산량은 매년 30% 이상의 비율로 증가하고 있다. 일본의 태양전지 누적 설치량은 2006년도에 1.7GW에 이르렀지만, 2010년까지 4.82GW, 2030년까지 83GW(일본 전력의 약 10%)의 도입목표를 설정해 놓고 있다.
현재 태양전지 생산량의 약 90%는 결정 실리콘 태양전지이지만, 실리콘 원료가 부족하기 때문에 생산량은 실리콘 원료의 공급에 따라 제한 받을 수 있는 상태이다. 또한, 앞으로 도입 및 보급을 위해서는 저비용화가 필수적이다. CIGS(Copper indium gallium selenide (Cu(In,Ga)Se2))계와 박막 실리콘계 등의 박막태양전지의 경우, 대량생산에 의해 저비용화가 기대되고 있어 각 제조사가 양산화에 착수하고 있다.
CIGS태양전지에 대해서는 연구실 수준의 소면적(0.5cm2 정도)의 셀에서는 최대 변환효율이 19.9%라는 고효율이 실현되었지만, 상품화된 모듈에서의 변환효율은 11~12% 정도이다. 따라서, 실용화 수준의 대면적 CIGS태양전지 모듈의 고효율화가 필요하다.
소면적 셀과 집적형 모듈의 구조 차이를 (그림 2)에 나타내었다. 소면적 셀과 집적형 모듈, 유리기판, 몰리브덴(Mo) 이면전극, CIGS광흡수층, 버퍼층, 창층까지 다층막 구조는 모두 같으며, 소면적 셀만 표면에 금속전극이 필요하다.
가장 큰 차이는 집적형 모듈의 P1、P2、P3 3단계 페터닝(patterning)공정이 필요한 것이다. 이 패터닝에 의해 P3로 나눠진 개개의 셀이 전기적으로 접속됨으로써 집적화가 가능하다. 집적형 모듈에서는 패터닝에 의해 태양전지로서 동작하지 않는 불활성 영역이 전면적의 5~10%를 차지한다.
또한, 주로 종방향으로만 전류가 흐르는 소면적 셀의 경우와 달리 집적형 모듈에서는 최대 3~5mm 폭에 걸쳐 투명도전막(透明導電膜) 내부를 전기가 흐른다(그림 2의 빨간 화살표가 전류의 흐름을 모식적으로 나타낸다). 때문에 투명도전막의 전기저항을 낮출 필요가 있으며, 소면적 셀보다도 두꺼운 투명도전막이 필요하다. 투명도전막이라고 하여도 완전히 투명하지는 않기 때문에 투명도전막 중의 광흡수에 따라 입사광 강도가 감소한다. 불활성 영역과 투명도전막에서의 광흡수 양쪽의 손실을 맞추면 변환효율의 저하는 절대치로 2~3%정도일 것이다. 따라서 소면적 셀에서 18~19% 정도의 변환효율이 실현되면 15% 이상의 변환효율을 가진 집적형 모듈의 실현은 충분히 가능할 것이다.
일본 산업기술종합연구소는 연구실 레벨의 소면적 셀과 시판되고 있는 대면적 모듈과의 에너지 변환효율 차이를 나타내는 주요한 원인으로 CIGS 광흡수층의 결정품질 차이라고 생각하여, 대면적에서 고품질의 CIGS 광흡수층을 제막(製膜)하는 기술 개발을 목표로 한다. 결정품질이 높은 즉, 결함이 적고 결정입경이 크고 CIGS 박막을 제조할 수 있는 다원증착법을 선택하여 대면적화에 노력했다. 다원증착법이란 Cu、In、Ga、Se 각각의 도가니를 가열함으로써 막을 제조하는 수법이다.
10cm 각(角)유리 기반 위에 균일하고 고품질의 CIGS 광흡수층을 제막하기 위하여 도가니 형상과 기반가열기구의 개량을 추가하였다. 또한, 가장 높은 변환효율이 실현 가능한 3단계 증착법을 이용하였다.
제1단계에서는 In、Ga、Se를 조사하여 Mo전극과의 부착성을 향상시킨다. 제2단계에서는 Cu、Se를 조사하여 대입경 또 결함이 적은 CIGS박막을 형성한다. 제3단계에서는 다시 한번 In、Ga、Se를 조사하여 금속적인 성질을 가진 과잉의 Cu-Se 상을 제거하여 제막을 종료한다.
3단계 증착법은 지금까지는 주로 소면적 셀의 제작에 사용되어 왔으나, 본 연구는 10cm 각(角)기판 상에도 균일하게 제막이 가능하다는 것을 실증할 수 있어 대면적 모듈의 양산화에도 응용할 수 있다는 것을 나타내었다. 또, 양산되고 있는 모듈과 같은 모양의 집적형 디바이스구조로 하기 위해서는 P1, P2, P3의 3종류 패턴닝기술 개발에도 노력하였다. P1은 Mo 이면전극을 레이저로 패터닝하였으며, P2, P3은 연질재료의 바늘을 이용하여 기계적으로 패터닝한 것이다. 레이저광 강도와 침압을 제어하는 것으로 정확한 패턴 제작이 가능하게 되었다.
증착법에 의한 CIGS 광흡수층의 대면적 막제조기술과 페터닝(patterning) 기술을 기초로 이번에 개발한 고품질의 CIGS 광흡수층의 특성을 살리기 위해 프로세스를 최적화하여 변환효율 15.9%(AIST 정식 측정치)를 달성함으로써 결정실리콘에 버금가는 고효율의 CIGS 서브모듈의 실현이 가능하였다. 이 연구성과는 CIGS태양전지의 높은 잠재력을 나타낸 것으로, 앞으로 프로세스를 개량하여 소면적 셀과 변화효율의 차이를 줄이면 시장에서의 경쟁력은 비약적으로 향상될 것이다. GTB

에너지 분야에 사용되는 박막필름의 세계시장 규모
신기술 시장연구보고서에 의하면 에너지분야에 응용된 박막 필름의 세계시장은 2007년에 11만 불이었으며 2008년과 2013년에는 각각 14만 불 및 39만 불이 될 것으로 예측된다. 이는 한 화합물에 대해 연간 23.5%의 성장률에 해당된다.
시장은 태양광, 집열 태양열발전, 지열에너지, 핵에너지, 배터리 및 연료전지분야로 나뉘어진다. 이들 중에서 태양전지 분야가 2007년에 9억 1640불로 시장의 가장 큰 부분을 차지하였으며 2008년에는 12만 불, 2013년에는 33만 불 이상으로서 연간 23.6%의 성장률을 보일 것으로 예측된다.
연료전지 분야의 박막응용은 두 번째로 큰 시장으로서 2007년에 8200만 불을 초과하였으며 2008년에는 9870만 불 및 2013년에는 3억 1백만 불로 연간 25%의 성장률을 보일 것으로 예측된다.
배터리 분야의 박막응용은 세 번째로 큰 시장으로 2007년에 3600만 불이었으며 2008년에는 3920만 불이 예측된다. 2013년에는 9800만 불 이상이 될 것으로 예측되며 이는 연간 20.1%의 성장률에 해당한다.
핵에너지 분야에서는 가장 느린 성장이 예측되며 2007년에 2500만 불을 초과하였고 2008년에는 약간의 증가가 예측된다. 2013년에는 3310만불이 될 것으로 예측되며 이는 연간 5%의 성장률에 해당한다.
집광 태양열발전은 가장 강한 성장을 보일 것으로 예측되며 이 분야에서의 박막 판매는 2007년에 1470 만 불을 보였으나 2008년에는 2340만 불, 2013년에는 9300만 불로 연간 성장률이 31.8%가 될 것으로 예측된다.
지열분야에서의 박막응용은 가장 적은 시장 점유율을 보여 2007년에는 270만 불을 나타내었다. 2008년에는 300만 불, 2013년에는 530만 불로 연간 성장률은 12% 이상이 될 것으로 예측된다. GTB

태양광으로부터 에너지를 얻어 작동하는 마이크로터빈
마이크로 터빈에너지 시스템들을 제작하는 세계적인 청정 기술 선도회사인 미국의 캡스톤 터빈 코퍼레이션(Capstone Turbine Corporation, www.microturbine.com)은 태양에너지로 작동하도록 캡스톤 터빈 C65 마이크로터빈(MicroTurbine)의 개조와 개발을 헬리오포커스(HelioFocus)사로부터 주문을 받았다고 발표했다.
2007년 이스라엘에 설립된 헬리오포커스 주식회사는 모듈화된 고효율의 중앙 집중식 태양 발전(Concentrated Solar Power, CSP) 시스템을 개발하는데 집중하고 있다. 이 시스템들은 포물선 모양의 태양광 집중기를 이용하여 태양빛을 전력으로 전환하는데 이용될 것이다. 태양광집중기는 태양에너지를 집중기를 통해 한 곳으로 모아 캡스톤사의 개조 터빈과 전자 기계들을 구동시킬 수 있는 충분한 열에너지를 모은다. 개발 단계의 초기에 캡스톤사는 과열된 공기로서 작동할 수 있도록 기존의 마이크로터빈을 개조하여 헬리오포커스사의 태양광집중시스템과 마이크로터빈을 융합시키는 연구를 진행할 것이다.
캡스톤 터빈사는 마이크로터빈과 태양광 집중기 기술들의 이익을 결합할 수 있는 제품 개발 가능성들을 평가하고 있었다. 캡스톤사가 개발한 기존의 마이크로터빈엔진은 가스 또는 액체 연료들을 이용하여 연소 공기를 가열시켰다. 헬리오포커스 태양광집중기는 마이크로터빈을 구동시킬 수 있는 연소열과 동등한 양의 열을 제공하는 충분한 태양광에너지를 집중시킬 수 있다. 태양으로부터 얻는 고온의 열을 이용하여 마이크로터빈을 구동시키는 새로운 시스템은 현재 개발되고 있는 전통적인 태양광발전시스템들의 태양에너지 전환 효율들보다 높은 효율을 낼 수 있다. 추가로 융합시스템의 증가된 발전 밀도는 태양광집중시스템들을 설치하기 위해 필요한 면적을 감소시킬 수도 있다.
캡스톤 터빈 코퍼레이션의 최고 기술 책임자인 마크 길브레스(Mark Gilbreth)는 태양광집중기와 마이크로터빈이 결합되는 복합 시스템은 이미 확보된 캡스톤사의 기술을 이용하며 캡스톤사의 마이크로터빈을 구동시킬 수 있는 재생 연료들의 범위를 확장시켜 줄 것이라고 말했다.
헬리오포커스사의 최고 책임자이자 설립자인 오리 직(Ory Zik) 박사는 헬리오포커스사가 현재 주목하는 점은 유망 기업들과의 전략적인 관계들을 통해서 제품 개발을 지속하는 것이라고 말했다. 그는 덧붙여서 양사의 공동 목표는 캡스톤사의 마이크로터빈을 이용하여 태양빛만 이용하여 작동하는 시스템을 개발하는 것이라고 말했다. GTB