Solar Technology Brief

광전(光電) 변환효율 11%
탠덤형 색소증감 태양전지 최고성능 실현
産業技術總合硏究所는 광전변환효율이 11.0%로 지금까지의 최고치를 상회하는 색소증감 태양전지를 개발했다. 이 태양전지는 2종류의 색소증감태양전지를 조합시킨 탠덤형으로, 상부의 전지에 투명성이 높은 산화티탄 전극을 사용하고, 하부의 전지로 빛을 폐쇄하는 효과를 효과적으로 적용함으로써 고효율화를 실현했다. 탠덤형전지의 광산란과 광흡수를 제어하는 기초기술을 이번에 확립. 앞으로 형상과 제조프로세스의 간략화와 더욱 원가를 절감할 수 있는 방법을 강구하여 실용화할 계획이다.
탠덤형색소증감 태양전지는 2종류의 색소증감태양전지를 겹쳐서 상부의 전지로 가시광 영역의 빛을 흡수하고, 하부의 전지로 근적외광에서 적외광을 흡수한다. 상부의 전지는 가시광을 흡수하면서, 근적외광을 낭비없이 투과시킬 필요가 있다.
이번에 産總硏이 제작한 산화티탄전극은 극히 투명하며 종래와 비교하여 높은 전압을 발생할 수 있다. 또 하부의 전지에서는 다중적층구조의 반도체 막을 이용함으로써 광 폐쇄 효과를 최대한 발휘하여 전류를 향상시켰다. 일경산업

플라스틱색소증감형태양전지
면적 20배로 대형화
 桐蔭橫浜大學에서 출발한 벤처인 펙셀 . 테크놀로지(橫浜市), 藤森工業, 昭和電工은 플라스틱을 기판으로 사용한 색소증감형태양전지의 대면적화에 성공했다. 종래의 약 2배 넓이라고 한다. 2009년도의 양산화를 목표로 하고 있다.
플라스틱필름을 사용한 색소증감형태양전지는 고속 . 저가화의 인쇄방식으로 제조할 수 있다는 것이 특징. 실리콘을 사용하는 종래의 태양전지에 비해 원료도 싸다. 색소가 빛을 흡수하여 전자를 방출하는 구조를 이용하여 발전한다. 차세대의 태양전지로서 기대되고 있다.
이번에 펙셀 테크놀로지 등은 폭 8.0미터, 길이 2.1미터, 두께 0.5밀리미터의 접고 구부릴 수 있는 색소증감형태양전지의 유닛을 만드는데 성공했다. 무게는 1평방미터 당 800그램으로, 태양전지로서는 가장 가볍다고 하며, 실내에 설치해도 100볼트 이상의 높은 전압출력이 가능.
기판이 되는 플라스틱 필름에 그물 모양의 구조를 한 투명도전막을 채용하여 집전효율을 높이는 등으로 하여 대면적화를 달성했다. 이 투명도전막은 일반적으로 사용되는 ITO(산화인듐주석) 투명도전막에 비해 표면저항이 20분의 1 이하이며, 상온 . 대기압 하에서 제작할 수 있다고 한다. 일경산업

태양에너지 벤처기업을 쫓는 인텔과 IBM
화석연료의 계속된 가격인상으로 태양에너지의 미래는 밝다. 인텔과 IBM같은 큰 두 기업 최근 태양에너지사업에 참여한 것이 더 나은 것인지는 아무도 모른다.
인텔은 태양전지모듈용광전지셀을 만들 Oregon 주 Hillsboro에 위치한 새 회사 Spectra Watt의 주식을 주주들에게 배분하였다.(spin off) 이전에 인텔의 새로운 사업주도 집단(New Business Initiative Group)의 단장 역할을 했던 CEO Andrew Wilson에 따르면 새로운 회사는 일 년에 60MW어치 태양전지를 제조할 것이라고 한다.
Wilson에 따르면, 그의 회사는 회사의 투자 기구인 인텔 금융, 골드먼삭스의 자회사인 Cogentrix 에너지, PCG 청정에너지 기술 펀드, 독일 태양에너지 회사 Solon으로부터 5천만 달러를 받았고 한다.
Wilson은 협정은 몇 주 안으로 마무리 지어질 것이고, SpectraWatt가 2009년 중반부터 제조를 시작할 수 있기를 기대한다고 말한다. 그는 회사의 고객들을 언급하지는 않았다. Wilson은 회사가 “일정한 기간의 실리콘 공급”을 확보하였다고 털어놓았다.
Wilson은 또한 태양전력이 4년에서 5년 안에 실용적으로 생산된 전력과 같은 가격에 도달하길 바란다고 한다. Wilson이 수요가 “사실상 무제한”일 것이라 예상하며 이는 “극적인 교차점”이 될 것이라고 한다.
한편, IBM은 비용이 적게 드는 태양전지를 만들기 위해 반도체와 평판 제조를 하는 일본기업 Tokyo Ohka Kogyo와 작업하고 있다. 실리콘웨이퍼로 만든 전지보다 반 이상 비용이 적게 드는 박막태양전지에 초점을 맞춰 연구를 하고 있다고 IBM의 대변인 Supratik Guha는 말한다.
Guha는 태양전지 가격이 15% 효율 비를 가지며 와트 당 1달러 아래로 떨어진다면, 태양전지는 큰 크기에도 적용이 가능해 질 것이라고 얘기한다.
Guha는 IBM은 태양전지를 만들기 보다는 그들의 기술로 특허를 내려고 하려고 한다고 특별히 언급했다. ACB

프랑스, 태양광 시범 발전소
프랑스 Gironde(지롱드, 보르도 근처)지방의 Martillac(마르티약)에서 100kW급 태양광(solar power plant) 발전소가 낙성식을 가졌다. 혁신적이고 장래성을 가진 태양 추적 기술을 이용하여 실현된 이 발전소는 미래의 더 큰 규모의 태양광 발전소의 실현을 예시한다.
프랑스 Martillac(마르티약)의 태양에너지 부문의 젊은 중소기업인 Exosun에 의해서 구상되고 개발되고 설치된 새로운 발전소는, 3500㎡의 면적 위에 2개의 축을 따라 연결된 지지대를 가진 126개의 태양 추적장치(Trackers)를 갖추고 있다. 각 패널은 6m2의 다결정(polycristall
ine) 기술의 태양전지 모듈(photovoltaic modules)로 덮여있는데, 이의 효율은 고정형 장치에 비해서 평균 30% 증가했다.
세계에 설치된 고효율태양광발전소의 25%에 이미 이 기술이 다양한 형태로 사용되었다. 이 기술은 태양의 움직임을 자동 추적함으로써, 태양광을 90°의 일정한 받음 각(angle of attack)으로 집광판에 이르게 하고, 항구적으로 효율을 최적화한다. 그 결과는 에너지 생산을 평균 30% 증가시킨다.
Exosun사의 Frederic Conchy 사장은 그 어떤 에너지도 제압할 수 있는 태양에너지가 이상적으로 충분한 양으로 분산되어 있지만 충분히 사용되지 못하고 있다고 지적하면서, 인류의 차원에서 고갈될 수 있는 이 에너지를 제대로 포획할 수 있어야 한다고 주장한다. 이 부문에서 프랑스는 미국이나 이웃 나라에 비해 많이 뒤져 있는 것이 사실이다. 프랑스가 이 부문의 투자를 망설이고 있는 동안 독일, 미국, 스페인 등은 태양에너지 관련 산업의 영역을 구축했다. 독일에는 태양에너지 관련 일자리가 45,000개에 이르고 있지만 프랑스에는 2,500개에 불과하다는 사실이 이러한 차이를 단적으로 보여준다.
Exosun사는 Martillac에 세워진 발전소가 기술적 모델이 될 것이라고 확인한다. 이를 바탕으로 2009년에는 Landes(랑드) 지방에 태양광추적기술을 이용한 두 번째, 더 큰 규모의 발전소를 세울 계획이다. 새 발전소는 Martillac보다 20배가 큰 2MW급이 될 것이다.
Exosun사는 2007년 6월에 설립된 젊은 기업으로서, 현재 16인을 고용하는데 그치고 있지만, 태양에너지라는 고갈되지 않는 재생에너지에 미래를 걸고 있다. 미래에는 빛을 집광하는 새로운 기술에 태양광추적이라는 이 새로운 방법을 결합시킴으로써, 기존의 솔라 패널로부터 효율을 두 배까지 올릴 수 있을 것이라고 한다. 태양광패널 설비는 풍력발전소의 이미지대로 상상할 수 있을 것이다. 그렇지만 훨씬 소형이고, 설치가 간편하며, 유지 보수 비용이 덜 비싸며, 바람에 잘 견딜 수 있다. 현 단계에서 Exosun사는 자신의 혁신적 기술을 내세워 2010년까지 10% 정도의 (최대 13MW) 유럽 시장을 점유할 수 있기를 기대하고 있고, 현재, 온수와 전력을 동시에 얻을 수 있는 신기술 개발을 서두르고 있다. GTB

태양광발전기를 개선하는 새로운 광학기술
수 년 전 미국 국방부 산하 연구 개발 부서인 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)는 초고효율태양 전지(VHESC; Very High Efficiency Solar Cell) 프로그램에 착수했다. DARPA는 산학을 연계하여 태양전지(solar cell)가 얼마나 빛을 잘 흡수하여 전기에너지로 전환시킬 수 있는지를 측정함으로써 보다 효율적인 태양전지의 개발을 도전 과제로 삼았다.
구체적인 목표는 저렴하고 휴대가 가능한 태양광발전기(solar power generator)를 제공하는 것이다. 랩톱컴퓨터는 더 이상 거대한 분야가 아니며, 한 시간 이내로 충전할 수 있는 분야로 분류되고 있다.
이러한 작은 태양광발전기를 제조하는 데 발생하는 문제점은 현재 이용할 수 있는 태양 전지가 가장 진보된 형태라고 하더라도 충분한 효율성을 구비하지 못한다는 데 있다. 지금까지 증명된 가장 높은 효율성은 약 40% 이상에 이른다. 그러나 이러한 효율성의 증명은 실험실 조건에서 세심하게 제어되어 구현됐으며, DARPA 프로그램이 요구하는 것처럼 현장에서 휴대할 수 있는 단위가 아니다.
게다가 가장 효율성이 높은 실험실에서 구축된 태양전지는 약 50,000-70,000 달러/평방미터($/square meter, 1$=1,373.00원)의 비용에 달하는 고가로 제조되는 재료에 의존한다. 현재 태양열발전을 이용하기 위하여 지붕에 설치하는 상용 태양광집열판을 구매하는 비용은 태양광발전비용보다 훨씬 저렴하지만, 태양열집열판을 이용하는 태양열발전은 효율성이 현저히 떨어져 16-17 % 수준에 그친다. DARPA 프로그램은 50% 이상의 효율성을 요구하고 있다.
미국 로체스터대학교(University of Rochester) Duncan Moore 교수는 VHESC 프로그램 하에서 DARPA의 목표를 수행하기 위한 연구팀을 담당하고 있다. Moore를 주축으로 하는 연구진은 빛을 파란색 및 붉은색 등과 같은 색깔로 분해할 수 있도록 태양전지에 특정한 코팅을 입혀 보다 높은 효율성을 구현하는 연구를 수행하고 있다. 과학자들은 이 방안이 50% 가까이 효율성을 증가시킬 수 있다고 추정하고 있다. 연구진은 다른 색깔의 빛에서 각각 최적의 조건으로 에너지를 흡수할 수 있는 태양 전지 재료의 다양한 유형을 이용했다.
Moore 연구진은 추가로 빛을 강화시킬 수 있는 방법을 발견하여 태양전지의 효율성을 보다 더 강화시켰다. 2008년 10월 19-23일에 로체스터에서 개최될 제92차 미국 광학회 연례회의(Annual Meeting of the Optical Society)인 Frontiers in Optics에서 Moore는 일광을 집중시키는 태양전지판에 적용시킬 수 있는 확대경을 어떻게 고안했는지 발표할 예정이다. 이 확대경은 나무를 연소시키기 충분할 정도로 일광을 집중시킬 수 있는 광학 커버(optical cover)의 형태로 고안됐다. GTB

카드뮴: 박막 태양 전지판의 오점인가?
태양열발전의 미래는 밝지만, 여기에도 단점은 존재한다. 오늘날 태양전지판의 수명은 30-40년으로 그 이후에 대량 폐기된다. 일부 박막(thin-film)광전압태양전지(photovoltaic solar cells)가 카드뮴과 같은 유해한 물질을 포함하고 있기 때문에, 수명이 다한 후에 그냥 폐기될 경우에 문제가 발생할 수 있다. 이 문제의 심각성 때문에 구형컴퓨터가 버려지는 것을 금지하도록 로비를 벌였던 SVTC(Silicon Valley Toxics Coalition)는, 10월 말쯤 태양전지판에 포함된 카드뮴에 대한 우려와 제조업자들로 하여금 오래된 태양전지판을 재활용하여 카드뮴의 유출을 막도록 촉구하는 보고서를 발간할 예정이다.
컨설팅회사인 맥킨지(Mckinsey)에 따르면, 전 세계적으로 태양열 발전으로 생산해 내는 전기가 차지하는 비중은 1%이지만, 2020년까지 20-40%까지 증가할 것으로 기대된다고 한다. SVTC는 이를 인용하면서, 태양전지판제조업자들이 제품의 라이프사이클에 대한 책임을 가지고 베스트 프랙티스(Best Practice)를 개발해야 한다고 주장하고 있다. 현재는 아직 태양전지판의 폐기시점은 아니지만, 조만간 전지판이 수명이 다할 때 다른 건축 폐기물과 함께 매립될 수 있음이 우려된다.
카드뮴, 구리의 부산물, 납 및 아연은 인류 및 생태계에 나쁜 영향을 끼친다. 미국 노동부에 따르면 이 독성 금속 물질들은 신장 및 호흡기관에 문제를 일으킨다. 유럽연합은 밧데리와 전자제품에 카드뮴 사용을 이미 금지하고 있다. 카드뮴은 새로운 박막 광전압 전지판에 사용되고 있으나, 카드뮴 자체보다는 화합물로 사용된 제품상에서 훨씬 안전하다. 박막태양전지판 생산업체인 First Solar는 CdTe(cadmium-telluride)를 사용하여 반도체를 만들고 있으며, 이 물질은 두 장의 유리판 사이에 위치하면서 태양빛을 전기로 바꿔주는 역할을 한다. AVA Solar와 같은 신생기업도 이와 같은 기술을 사용하고 있다.
실리콘 웨이퍼를 기존의 사용하는 경우에 비해 CdTe를 이용하는 것은 박막광전압 태양전지를 만드는 이용 효과적인 방법 중의 하나이다. CdTe는 카드뮴을 불활성 상태로 만듦으로써 카드뮴 자체에 비해 오염 가능성을 감소시키고 있다. 미국 재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 분석에 따르면, CdTe는 섭씨 1,041도까지 견딜 수 있어야 한다. 대부분의 지붕 화재는 800-900도에서 발생한다.
그럼에도 불구하고, OSHA(미국 직업안전 위생관리국)은 CdTe를 카드뮴과 같이 제조과정에서 주의를 기울여 취급해야 하는 위험물질로 규정하고 있다. AVA Solar사는 판매액의 일정 부분을 재활용 프로그램을 위한 자금으로 활용할 예정이다.
현 시점에서 AVA Solar사와 같은 입장을 갖는 기업은 소수이다. 자금을 확보하고 공장을 짓기에 더 관심을 갖는 신생기업들은 재활용 프로그램에 우선순위를 두지 않는다. 하지만 이 사업영역이 성숙단계에 이르면 많은 기업들이 재활용 프로그램을 도입할 것으로 예상된다.
CdTe 박막전지판은 태양열발전산업이 성장함에 따라 함께 성장하고 있다. 박막태양열전지판시장은 2007년 126% 성장하였으며, 주로 CdTe 를 이용한 제품의 성장에 기인하고 있다. 다른 두 가지 박막 제품은 CdTe에 비해 카드뮴의 함량이 1/100 수준인 CIGS(copper indium gallium selenide)와 카드뮴을 포함하고 있지 않은 무정형 실리콘을 이용하고 있다.
궁극적으로, 이것이 발간될 SVTC 보고서의 목적이다. CdTe 시장이 너무 커지기 전에 이에 대한 관리방안을 확보하자는 것이다. SVTC는 발간될 보고서를 통해 사람들의 주의를 환기시키고, 태양전지판제조업자들이 그들의 제품의 폐기 문제에 대한 해결 방안을 강구하도록 촉구하고자 한다. GTB

BN/Si 헤테로(hetero) 다이오드(diode) 태양전지 시범제작에 성공
-세계 최초, 내구성이 뛰어나 우주에서도 활약, 미래는 투명한 태양전지-
일본 물질재료연구기구(NIMS: National Institute for Materials Science) 반도체 재료센터는 가시광선에 대하여 투명하고, 상당히 튼튼한 재료(고온 내화물) 중 하나인 고밀도 질화붕소(boron nitride: sp-결합성BN)를 이용한 태양전지시범 제작을 세계 최초로 성공했다. 지구온난화, 연료자원의 고갈, 가격상승에 대처하기 위해 다양한 에너지 절약기술, 신에너지 개발이 활발히 진행되고 있다 그 중에서도 태양전지는 실리콘 태양전지의 실용화에 의해 세계적으로 보급되고 있다. 그러나 실리콘에는 없는 기능 및 특징을 가진 태양전지 재료의 발견과 개발의 여지(余地)도 많이 남아 있어 개발 경쟁은 심하다. 이번에 발표된 BN/Si계 태양전지는 지금까지 보고된 사례가 없으며, 일본 물질재료연구기구가 세계에 처음으로 착수하여 제작에 성공하였다.
BN은 자외(紫外) 레이저 및 투명 트랜지스터 등을 가능하게 하는 와이드밴드갭(wideband gap) 반도체로 기대되는 재료이지만, 종래에는 반도체화에 필요한 도핑(doping)이 곤란하였다. 이번에 고밀도 BN박막 도핑에 레이저믹싱플라즈마화학기상증착(CVD: Chemical Vapor Deposition)법이라는 독자적인 방법을 이용한 결과, 세계에서 최초로 BN/Si 헤테로 다이오드의 제작에 성공했다. 이것을 이용하여 태양전지를 시범 제작하였을 때, 2% 정도의 발전효율을 나타내었다. 이것은 현재 가장 발전된 실리콘 태양전지의 수준(18%)과 비교하여 큰 차이가 있지만, 세계에서 처음으로 시범 제작된 BN/Si 헤테로 다이오드 태양전지의 자료로서는 가치 있는 값이라고 생각된다.
이번에 채용된 레이저믹싱플라즈마 CVD법은 다이아몬드와 동등한 원자간 결합구조를 가진 고밀도 BN(sp3-결합성BN)이 합성되면 동시에 실리콘의 도핑이 진행되는 프로세스이다. 이 과정에 의해 세계에서 처음으로 BN/Si 헤테로다이오드를 실현할 수 있었다. 레이저믹싱플라즈마 CVD는 원스톱(one stop)으로 태양전지셀이 제작될 수 있는 특징이 있으며, 이 제작법은 전지박막의 표면이 마이크론 크기의 콘(corn)으로 덮이기 때문에 태양광의 반사가 억제되어 광흡수효율의 향상에 도움이 된다.
BN/Si 태양전지는 특히 내구성, 신뢰성, 내후성(耐候性) 등이 요구되는 무인관측장치 및 우주환경 등의 용도에 특화시킨 것으로 제품화된다. 앞으로, 이번에 제작에 성공한 p형 BN에 추가로 n형 BN을 제작하여 전체가 BN제인 호모(homo) 다이오드를 제작할 예정으로, 가시광선에 대한 투명한 전지가 가능하다. 축전지와의 조합에 의해 자동차 탑제형 선루프(sun roof) 발전시스템, 선글라스(sun glasses) 및 창문에 붙일 수 있는 태양전지 등의 개발이 기대된다. GTB

中, 국내 최대 규모의 태양전지
상용화 실현
중국 내 단일 면적이 제일 큰 ‘조(兆) W 급 태양전지 발전(發電) 프로젝트’인 중국 ‘상하이(上海) 린강(臨港) 태양전지 발전 시범 프로젝트’가 지난 9월 13일에 상용화 운행 단계에 들어가 이슈가 되고 있다. 이번 ‘상하이린강 태양전지발전시범 프로젝트’의 상용화 운행은 중국의 태양전지 응용이 이미 새로운 발전 단계에 들어갔음을 의미한다.
상하이는 중국에서 전체 에너지 소비량이 제일 큰 도시에 속하는 동시에 에너지의 외부 의존도가 제일 높은 도시 중 하나로 되고 있다. 현재 상하이시 전력망의 전력은 주로 ‘화력 발전’에 의존하고 있는데, 그 중 90%에 달하는 발전은 석탄을 연소하는 ‘화력 발전소’에 속해 발전하는 과정에서 대량의 이산화탄소, 이산화유황, Nitric Acid, 연기와 먼지, 석탄재 등을 방출하고 있어 환경과 생태에 심각한 영향을 끼치고 있는 상황이다.
오는 2010년 ‘세계 엑스포’가 상하이에서 개최되는 상황에서 상하이시의 도시 환경 품질을 향상시키고, 석탄 연소를 통한 ‘화력 발전 시스템’에 대한 개조를 통해 오염 물질 방출을 대폭 줄이는 동시에 태양 에너지를 활용하여 ‘재생 가능한 에너지’를 대폭 발전시키는 것은 상하이시에 있어서 중요하고 필수적인 전략적 조치로 되고 있다.
지난 9월 13일 공식 상용화 운행 단계에 들어가 ‘조 W 급 발전’을 실현한 ‘태양전지프로젝트’는 상하이시 난후이(南匯) 남단에 위치한 ‘린강 신도시’ 구역 내에 설치되어 있다고 한다. 동 ‘프로젝트’는 ‘상하이 전지(電氣) 회사’의 ‘린강 중장비 거점’의 3만 ㎡ 면적에 달하는 공장 건물 옥상에 설치되었다고 한다.
이번 ‘프로젝트’ 실행을 담당한 ‘상하이 선넝(新能) 신 에너지 투자 회사’의 리워이이(李偉藝) 사장의 설명에 따르면, 이번 ‘프로젝트’ 실행은 1년 간의 노력을 통해 지난 8월에 관련 ‘테스트작업’을 마쳤으며 168시간의 ‘시범운행’을 통해 상황이 양호하고, 발전량은 1,080Kw 규모에 달하였으며, 연간 발전량은 100만 Kw시(時) 규모에 달하는 것으로 나타나 ‘설계요구’에 완벽히 도달하였으며 ‘도시전력망’과 ‘주변지역’에 전력을 공급할 수 있는 능력을 구비한 것으로 나타났다고 한다.
이번 ‘프로젝트’ 실행을 통해 이산화탄소 방출량을 연평균 521톤 줄일 수 있게 되었으며, 이산화유황 3톤, 탄소산화물 5톤, 연기와 먼지 1톤을 적게 방출할 수 있게 되었으며, 연평균 357톤에 달하는 석탄을 절약할 수 있게 되어 에너지 절약 및 오염 물질 방출 감소를 위해 적극적인 역할을 발휘할 수 있게 되었다고 한다. GTB