태양광 에너지를 활용한 유체식 수질
정화 시스템
태양광 에너지를 활용한 유체식 수질 정화 시스템을 일본 마사키 엔베크(Masaki Envec)사가 개발, 실증 실험을 진행하고 있다. 프로펠러로 물을 순환시킴으로써 수질 정화를 하는 장치로, PC에 의한 원격 조작도 가능하다. 청정에너지를 활용한 환경 기술로서 내년도 중에 상품화되어 댐이나 공원, 골프장에서의 이용이 예상된다.
물의 흐름이 적은 연못 등에서는 영양소가 증가하면 탁함이나 악취의 원인이 된다. 이번에 개발한 장치는 태양광 패널을 탑재해 이것을 동력원으로 활용해 수면 아래의 프로펠러를 회전시켜 물을 방사상으로 순환시킨다.
산소를 수중에 넣는 것으로 인산이나 Ammonium nitrogen 등 미생물에 의한 오염 물질의 분해를 촉진하는 구조이다. 1시간에 약 100리터의 물을 순환시켜 오염 물질을 분해, 악취 제거나 수중 생태계의 활성화를 촉진한다.
여러 대를 연결시켜 대규모 시스템으로 응용도 가능하고 PC에 의한 원격 조작이나 소형 카메라 설치에 의해 웹상에서의 수질 상황 확인도 가능하다. 태양광을 사용함으로써 전기료가 불필요한 것도 특징이다.
현재 댐 호수 등에서 실증 실험 중인데, 인산이나 Ammonium nitrogen의 저감이 전망되고 있다. 공원의 연못에서는 투명도가 더 높아 밑바닥이 보이게 되는 효과도 있다.
이 프로젝트는 오염 물질 처리 기술 등 핵심 기술을 가지는 마사키 엔베크와 모터 설계 기술 및 나가사키 대학의 수질 정화 시물레이션 기술 등 타업종과의 제휴를 경제산업성으로부터 인정받아 수질 정화 시스템의 개발을 목표로 하고 있다.
내년도 중의 상품화를 목표로 수질 악화로 고민하는 공원 관리자 등에게 판매할 방침이다. GTB

광합성을 모방한 혁신적인 태양에너지
저장 시스템
나중에 이용하기 위하여 추가의 태양에너지를 저장하는 것이 고가의 비용을 요하고 비효율적이기 때문에, 태양에너지는 주간에만 에너지를 공급하는 것으로 인식되어 왔다. 최근 미국 MIT 연구진은 대규모 태양광 발전(solar power)에 걸림돌이 되는 태양에너지 저장 문제를 해결할 수 있는 저렴하고 효율적인 공정을 개발하는 데 성공했다.
식물이 수행하는 광합성(photosynthesis)에서 영감을 얻은 MIT 소속의 Daniel Nocera 교수와 박사 과정인 Matthew Kanan 등은 태양에너지가 물을 수소와 산소 기체로 분해하는 데 이용될 수 있는 참신한 공정을 개발했다. 이후 물에서 분해된 수소와 산소는 연료전지 내부에서 다시 결합하여 가정이나 전기자동차에 동력을 공급할 수 있는 탄소 배출이 없는 전기를 생산할 수 있다.
새로운 공정의 핵심 요소는 물로부터 산소 기체를 발생시키는 새로운 촉매(catalyst)에 있다. 또 다른 종류의 촉매는 유용한 수소 기체를 만들어 냈다. 연구진이 개발한 촉매는 코발트 금속, 인산염(phosphate), 전극 등으로 이루어져 물에 배치됐다. 전기가 전극을 통해 가해지면, 코발트와 인산염이 전극 위에 얇은 박막을 형성하고 산소 기체를 발생시킨다. 백금 같은 다른 촉매를 결합하여 물에서 수소 기체를 만들어 내고, 이 시스템은 광합성을 하는 동안 발생하는 물 분해 반응의 복제본이라 할 수 있다. 새로운 촉매는 실온 및 자연적인 수소 이온 농도의 물(neutral pH water)에서 작동하고, 설치가 쉽다고 Nocera는 밝혔다.
일광은 전 세계 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지자원 중 가장 큰 잠재력을 갖고 있다. 한 시간 동안 지구에 도달하는 일광은 약 1년 동안 전 세계에서 필요로 하는 에너지를 공급할 수 있다. Nocera 연구진의 개발은 대규모로 탄소 배출이 없는 청정에너지를 생산하는 데 있어서 비약적인 도약이라 할 수 있다.
전기로 물을 분해하기 위하여 현재 이용 가능한 전해조(electrolyzer)는 가격이 매우 비싸고 엄격한 환경을 요하기 때문에 인위적 광합성에 적합하지 않다. 더 많은 공학적 기술이 기존 태양전지시스템(photo
voltaic system)과 연구진이 개발한 기술에 통합될 필요가 있다. 그러나 Nocera는 그러한 시스템이 곧 가능할 것으로 확신한다고 밝혔다. Nocera는 10년 이내에 주택 소유자들이 태양전지를 통하여 주간 동안 가정에 동력을 공급하는 한편, 수소와 산소를 생산하기 위하여 잉여 태양에너지를 이용하여 가정용 연료전지의 동력을 공급할 수 있기를 기대하고 있다. 그렇게 된다면 전선을 통해 공급되는 전기는 과거의 유물이 될 것이다. GTB

염료 감응형 태양전지
태양전지가 보다 주목 받는 중요한 에너지의 원천일 되길 바라는 일념 하에 최근 뛰어난 효율성과 높은 안정성을 지니며, 휘발성 화합물이 적게 발생하는 염료 기반의 태양 전지(dye-based solar cell)가 개발되었다. 이러한 특징은 가장 최근에 개발된 태양 전지에서도 찾아볼 수 없었던 우수한 성능이다.
중국 장춘 응용 화학 연구소(Changchun Institute of Applied Chemistry) 및 스위스연방기술연구소(Swiss Federal Institute of Technology)의 과학자들은 전세계적으로 폭넓게 연구되고 있는 새로운 형태의 태양전지를 연구하였다. 이러한 전지는 딱딱하고 고가이며, 종종 중금속이 이용되는 것과 달리 구부릴 수 있고 저가이며 경량의 유기 물질을 이용한다.
연구진은 기존의 태양전지 물질에서 새로운 사실을 발견하여 고성능의 태양전지를 제조할 수 있었다. 연구진이 개발한 유기 태양전지는 세 부분으로 구성된다. 우선 두 부분은 실리콘과 같은 반도체 그리고 물과 같은 용매에 염을 용해시킴으로써 형성되는 전도성 용액인 전해질(electrolyte)이다. 반도체와 전해질은 태양광이 전지에 쪼여져 생성되는 강하게 결속된 전자-홀 쌍(electron-hole pairs)인 엑시톤(excitons)을 분리시키기 위해 서로 조화되어 작동하게 된다.
셋째 부분은 광으로 유도된 전하 수송체의 원천인 광 감응형염료(photosensitive dye)로서 가장 일반적인 염료인 요오드를 갖는 염료감응 요소이다. 또한 비계처럼 염료 분자를 적재적소에 묶어두기 위해 나노물질도 이용되었다. 현재까지 제조된 가장 뛰어난 효율성을 갖는 염료감응형 태양전지는 11%이며, 연구진이 개발한 전지의 경우 8.2%의 효율로 최고치를 경신하지는 못했다. 그러나 가장 우수한 효율을 갖는 염료 감응형전지는 전해질에 휘발성용매를 포함하고 있는데, 이러한 용매는 플라스틱을 침투하여 전지를 감싼 부분에서 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, 이와 같은 용매를 갖는 전지는 환경 문제로 인해 선호되지 못한다. 따라서, 성능은 최고일지라도 심각한 단점을 갖고 있는 셈이다. 이에 비해 연구진이 개발한 태양전지의 경우 효율성은 다소 낮더라도 전해질에 용매를 갖고 있지 않다.
연구진은 전해질을 제조하기 위해 세가지 고체 염을 혼합하여 액체를 제조하였는데, 이러한 전해질은 우수한 전도성을 가질 뿐 아니라 우수한 안정성을 갖는다. 최근 연구진은 태양전지의 성능을 휘발성 용매가 사용되는 전지와 동등한 수준으로 끌어 올렸는데, 이러한 성과는 야외용 염료감응형 태양전지의 대량 생산에 있어 중요한 계기로 평가되고 있다. GTB

Motorola의 베테랑 Sun Devil Solar Lab을 이끌다
애리조나 주정부의 지원으로 Tempe에 설립된 애리조나 주립대의 Solar Power Laboratory는 태양에너지의 실용성과 효율성을 높일 뿐 아니라 지역경제 기반을 단단히 해줄 것이다. “Solar Power Lab는 애리조나 주립대에서 진행해 오던 태양에너지에 대한 연구를 더욱 활성화 시키고 발전시킬 뿐 아니라 태양에너지 관련 산업체들과의 공조를 통해 애리조나 주 경제를 활성화 시키는데도 일조할 것입니다” - 애리조나 주립대 총장 Michael Crow, Crow에 따르면 Solar Power Lab의 설립은 주 정부 주도하에 시작된 태양에너지 산업 활성화 사업의 일환으로 이 사업의 목표는 애리조나주가 미래의 신 재생에너지 기준을 만족시킬 수 있도록 하는데 있다.
Solar Power Lab은 애리조나 주립대의 Grobal Institute of Sustainability 와 Ira A. Fulton school of Engineering에 의해 공동으로 운영될 예정이다. Solar Power Lab의 연구소장으로는 14년간의 Motorola근무를 통해 Motorola의 분자기술 연구소와 생명과학 연구소를 설립하고 운영해온 경력을 쌓고 ASU로 다시 돌아온 George Maracas로 내정됐으며 Solar Power Lab에서 진행될 모든 연구를 총괄 지도할 Cheif Scientist로는  Delaware University의 태양전지연구소의 설립과 운영을 통해 태양전지 분야의 개척자라는 명성으로 유명한 Honsberg가 임명됐다. ACB

저비용 태양에너지 저장기술의 실용화를 앞당길 촉매 개발
MIT의 연구진들이 태양에너지를 비교적 싸고 간단한 방법으로 저장. 햇빛이 비추지 않는 밤에도 사용할 수 있는 새로운 방법을 발견해냈다. 그들이 주장하는 바에 따르면 이 기술이 성공적으로 상용화 될 경우 2010년 이후 태양에너지가 에너지원으로서의 주류가 되는데 큰 역할을 할 것이라고 한다. 현재까지 태양에너지 산업이 상용화 되는데 가장 큰 걸림돌은 생성된 에너지를 저장하는 방법이 비현실적으로 비싸고 비효율적이라는 점이였다. 그러나 MIT 화학과 교수로서 본 연구를 이끈 Diniel Nocera이 Science에 기고한 내용에 따르면 그들이 개발한 태양에너지를 이용한 물의 전기분해 방식은 태양전지에 의해 생성된 전기에너지를 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하여 저장하고 저장된 수소와 산소를 연료로 하는 연료전지를 통해 다시 전기에너지를 생산해 내는 방식으로 이전의 어떠한 기술도  달성해 내지 못했던 효율성과 경제성을 동시에 지니고 있다고 한다. 전기분해에서부터 연료전지에 의한 전력 생산에 이르는 일련의 에너지 변환 과정에서 가장 중요한 역할을 담당하는 것은 새롭게 개발된 촉매물질로 물에서부터 산소를 생산해 내는데 필요한 에너지를 현저히 낮춰주는 역할을 한다. 비교적 경제적이고 쉽게 생산해 낼 수 있는 이 촉매 시스템은 코발트 금속, 인산염 그리고 물속에 위치하도록 설계된 양극으로 이루어져 있다. 태양전지 또는 그 밖의 전력원으로부터 촉매시스템으로 전기에너지가 공급되면 코발트와 인산염은 물속에 잠긴 양극의 표면에 산소를 발생시키는 얇은 막을 형성시킨다. 수소가스를 생성해 낼 수 있는 캐소드와 결합된 시스템을 구성할 경우 두 개의 전극들은 마치 식물들이 광합성을 통해 물을 분해하고 에너지를 생산해 내는 것과 같은 역할을 하게 된다. “새로운 촉매는 상온의 중성을 가진 물에서 작동 할 뿐 아니라 다루기도 매우 쉽습니다. 이러한 점이 바로 제가 이 촉매의 성공을 확신하는 이유죠” 연구책임자인 Nocera는 얘기했다. 그는 본 시스템이 풍력발전을 비롯한 다른 에너지원과의 결합을 통한 이용도 가능하다는 점을 언급하면서도 궁극적으로는 태양광 발전과 본 시스템과의 결합이 세계적으로 이슈가 되고 있는 에너지 문제를 해결할 수 있는 방안이 될 것이라 확신한다고 이야기 했다. “한 시간 동안 지구에 입사되는 태양광 에너지의 양은 전 세계에서 1년간 사용하는 총 에너지양 보다 많습니다” 연구에 참여한 연구원들은 바닷물로부터 생성된 산소와 수소를 새로운 에너지원으로 활용하는 세상을 그려나가고 있었다. 그들의 상상이 현실이 될 경우 에너지원으로서 바닷물로 부터 생성된 산소와 수소 가스는 산업적 규모의 연료전지를 통해 전기에너지와 신선한 물을 생산해 낼 것이다. “본 기술을 현재의 태양광 발전 시스템과 효율적으로 결합시키기 위해선 공학적으로 해결해야 할 문제가 몇 가지 있습니다. 따라서 돌아오는 학기에는 태양광 발전 시스템으로의 적용에 관한 연구를 시작할 예정입니다” Nocera는 덧붙였다. Nocera의 본 연구에 대해 독일의 Friedrich Alexander University의 Karsten Meyer는 이렇게 이야기 했다. “본 연구는 태양에너지 분야에 있어 한 세기를 통해 가장 훌륭한 발명으로 기억될 수 있을 것입니다” James Barber of Imparial College London은 Karsten Meyer의 찬사에 덧 붙여 이렇게 이야기 했다. “본 발명은 인류의 번영을 위한 어마어마한 발명입니다. 우리의 후손들은 탄소배출로부터 자유로운 깨끗한 세상에 살 수 있을 것입니다”ACB

실리콘 태양 전지 세계 최고 효율
25%가 달성돼
영국의 뉴 사우스 웨일스 대학교 태양 전지 연구 센터가 세계 최초로 25% 효율의 실리콘 태양 전지를 만들었다고 발표했다. 이 연구센터는 이미 실리콘 태양전지 효율 세계 기록인 24.7% 를 보유하고 있다.
센터 책임자인 마틴 그린 박사는 이 새로운 세계 신기록은 이 센터가 실리콘 태양 전지 기술에서 갖고 있는 6개의 세계 신기록들 중의 하나라고 밝혔다. 그린 교수는 이번의 신기록 달성은 태양빛의 성분에 대한 새로운 지식 때문에 가능했다고 말한다.
“태양 빛의 색깔의 비중이 하루 동안에 변하기 때문에 태양전지는 조작적인 기상학적 조건에서 정의된 표준 색깔 스펙트럼 하에서 측정된다. 지난 4월 태양 빛의 색깔 스펙트럼에서 대기가 어떤 영향을 미치는지 더 잘 알게 되어 이번 신기록 달성이 가능했다. 새로운 스펙트럼은 파란색 끝에서 그 반대쪽 빨강색 끝에서 더 높은 효율을 보인다” 라고 그는 덧붙였다.
지난 4월 국제 전기 화학 위원회가 제정한 새로운 국제 표준으로 인해 이 센터의 기술은 더욱 향상되었다. 이 센터의 효율은 그 다음 기록보다 6%나 더 높은 것이다. 이 수치로 인해 실리콘 태양전지의 효율은 이론적인 한계치인 29%에 더욱 근접해졌다.
아니타 호 베일 박사는 태양 전지의 광응답을 스펙트럼의 극한 영역까지 넓힌 것이 큰 도움이 되었다고 말한다.
“청색 빛은 전지 표면에 가깝게 강하게 흡수되므로 그냥 흩어지지 않도록 주의해야 한다. 반대로 적색 빛은 아주 약하게 흡수되므로 이 빛을 가두는 특별한 디자인이 필요하다”고 그는 덧붙였다.
이러한 설계로 인해 이들의 태양 전지는 기존 것보다 훨씬 얇게 만들 수 있다.
스튜어트 웬햄 박사는 센터의 목표가 이제 대량 생산을 향상시키는데 있다고 말한다. “이제 우리의 주된 노력은 이 향상된 효율을 상업용 생산으로 옮기는 것이다”라고 그는 덧붙였다.
이 세계 신기록 태양전지는 지안후아 자오 박사와 아이후아 왕 박사가 만들었는데, 이들은 세계 최대 태양전지 제조자들 중 하나인 China Sunenrgy 센터를 설립하기 위해 최근 이 센터를 떠났다.
그린 박사는 “중국은 2007년에 세계 최대 태양 전지 생산국이었는데, 그 회사들 중 70%에 우리 센터의 학생들과 기술자들이 진출해 있다”고 말했다. ACB
혼다, `공공·산업용` 태양전지 생산
혼다(Honda)는 2008년 10월 23일 2007년 가을에 일반 주택 전용 판매를 개시한 태양전지에 관해서 새롭게 2008년 10월 24일부터 기업이나 공공시설 등 대규모 고객 전용 `공공·산업용`에 참가한다고 정식 발표하였다. 이미 수주를 개시하고 있어 2008년도 중에 20건을 판매할 전망이라고 한다.
환경 문제에 대한 관심 고조나 일본 정부의 조성금 제도도 있어 공공·산업용 태양전지의 판매가 증가할 것으로 예상된다. 혼다는 일본 국내 사업을 확립한 후에 향후 수요의 많은 유럽, 미국 등으로의 수출도 검토한다.
태양전지를 생산하는 회사는 혼다가 전액 출자한 자회사 `혼다 솔 테크`(Honda Sol-Tech)로, 현행 연 생산 능력은 2만 7500킬로와트이며 공공·산업용으로의 참가를 계기로 전체적인 생산에 접근하고 싶은 생각이라고 한다.
혼다는 지금까지 발전 능력이 3킬로와트 정도의 주택 전용 태양전지를 140건 판매하였다. 향후 발전 능력이 20~100킬로와트 이상의 대형 시스템을 차기 목표로 설정하여 대규모 고객 전용으로 판매할 것이라 한다. 전기 설비 공사를 다루는 외부 거래처가 판매를 실시한다. 이러한 거래처는 2008년 내에는 30개 법인으로 증가할 전망이라고 한다.
혼다의 태양전지는 재료에 태양전지를 만드는데 필수 재료인 실리콘을 사용하지 않고 동이나 인디움 등의 금속 화합물을 사용하는 `CIGS`라고 불리는 방식으로 세계적으로 제품 부족이 계속되는 실리콘에 비해 안정적으로 조달할 수 있고 생산 비용도 저감할 수 있다고 한다.
공공·산업용에서는 발전량 1킬로와트 당 가격은 업계 평균으로 80만~90만 엔(112만~126만 원) 정도(시공비 포함)로, 혼다는 `타사 제품과 비교하여 비용 경쟁력은 높다`고 자신감을 보이고 있다. GTB

값싸고 효율적인 태양전지
미국 콜로라도 골덴(Golden)에 위치한 재생에너지연구소(NREL)의 과학자들은 저비용이면서 더 효과적으로 태양에너지를 전기 에너지로 전환시키는 방법을 개발하였다. 이 방법은 태양전지에서 만들어진 전자들의 수명을 연장시켜 더 많은 에너지를 생산할 수 있게 하는 방법이다. 이 기술로 비싼 태양전지의 가격을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
효율은 그대로 유지하면서 가격을 낮출 수 있는 기술은 태양에너지를 상용화시키는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 일반적으로 좋은 효율을 가지거나 가격을 낮추는 것은 가능하나 두 가지를 동시에 만족시키는 것은 쉬운 문제가 아니다.
효율은 태양빛을 모으기 위한 패널에 들어온 태양빛을 사용 가능한 전기로 바꿀 수 있는 비율을 말하며, 가격은 큰 판으로 만들기 위해서 패널을 대량으로 생산하는데 소용되는 비용을 말한다. 태양전지는 원격 센서의 전력 또는 우주선등 틈새시장에서 이용되어 왔다. 대부분의 태양전지는 실리콘 결정으로 제작된다. 그러나 대량 생산을 위해서는 가격을 더 낮추어야 한다.
현재 태양 발전소의 킬로와트 시간당 생산 가격은 화석 연료 생산 단가 보다 몇 배 더 비싸다. 태양전지는 자연이 태양빛을 유용한 에너지로 변환시키는 것을 본딴 것이다. 예를 들면, 녹색잎에서 태양빛은 엽록소 분자의 전자를 분리시킨다. 분자로부터 떨어져 나간 전자는 궁극적으로 탄수화물과 같은 거대한 분자를 만드는데 참여하게 된다.
마찬가지로 태양전지에서 들어온 태양빛은 반도체로부터 전자를 분리시킨다. 이 여기된 전자는 배터리에 연결된 외부 회로에 전류를 공급하는 역할을 한다. 여기된 전자의 수명이 길면 길수록 태양전지의 효율은 더 좋게 된다. 그러나 불행히도 전자들은 태양전지를 구성하고 있는 결정 안에서 결함이나 경계면을 만나면 에너지를 잃게 되는 경향이 있다.
따라서 현재까지 더 좋은 수명과 효율을 제공하기 위해서 태양전지는 결함이 없거나 결함이 적은 고순도의 가격이 비싼 실리콘이나 갈륨비소와 같은 단결정 반도체를 사용해왔다. 이와 같은 태양전지는 매우 복잡한 공정을 거치고 가격이 비싸며 쉽게 가격을 낮추기 어렵다. 반면에 구리, 인듐, 갈륨, 세레니움(CIGS)의 화합물로 구성된 다중 결정 박막으로 제작된 낮은 가격의 태양전지는 효율이 좋지 못하다.
NREL 연구진은 다중 결정 CIGS로 제작된 태양전지의 전자 수명을 향상시키는데 주안점을 두고 연구하였다. 연구진은 이 물질의 전자 수명을 크게 늘려 더 많은 전자들이 태양전지의 전류에 기여할 수 있도록 만들었다. 그 결과 실리콘 태양전지만큼 효율적이면서 가격은 더 낮은 태양전지를 생산할 수 있게 된 것이다.
이들의 연구 결과는 Applied Physics Letters에 발표되었다. GTB