효율성을 2배로 향상시키는 양면 태양 전지
태양전지가 양면에서 일광을 동시에 포획할 수 있는 저렴한 염료를 기반으로 하는 디자인 덕분에 보다 효율적이며 경제적인 에너지자원이 될 전망이다. 염료감응형 태양 전지(DSSC : dye-sensitised solar cell)는 실리콘을 함유하는 대신 저렴한 백색 염료인 작은 입자 형태의 이산화티타늄(titanium dioxide)으로 코팅된 염료와 일광 사이의 상호작용에 의존한다.
이산화티타늄 입자들은 전해질(elec
trolyte)처럼 작용하는 액체에 위치하여 염료가 빛을 흡수하여 방출한 전자를 포획하여 전류를 생성시킨다. 전체 혼합물은 전극 사이에 끼워져 있다. 투명한 유리판은 전기를 통하게 하여 후방 부전도성 패널로 보내기 위하여 작은 산화물로 덮여 있다. 이러한 고안은 전지가 일광에 놓일 때 전류를 흐르게 만들어 준다.
그러나 실외 조건에 맞추어 고안된 DSSC의 효율은 현재 약 6% 수준이다. 일부 실리콘 태양전지의 효율은 42.8%에 달하며, 수많은 실리콘 태양전지의 표준 효율이 15% 수준인 점을 감안하면, DSSC의 효율은 매우 낮은 수준이다.
스위스 연방 공과대학(Swiss Federal Institute of Technology) 소속의 Michael Gratzel은 양면에서 동시에 일광을 포획하는 디자인을 고안하여 저비용 태양전지의 효율을 2배로 향상시킬 수 있다고 생각해 왔다.
최근 Gratzel 연구진은 일본 효고 현립 대학(University of Hyogo) 소속의 Seigo Ito와 공동으로 이 연구를 수행했다. 연구팀의 새로운 DSSC는 일광이 후방 패널을 조사할 때도 전방 패널을 조사할 때와 동일하게 빛을 에너지로 전환시켜 효율성을 향상시켰다.
이러한 과정을 달성하기 위하여 연구팀은 부도체의 후방 패널을 먼저 위치시킨 후 그 다음에 유리판을 위치시키고 전체 장치를 투명하게 만들었다. 또 새로운 패널은 작은 산화물로 코팅시켜 2차 전극처럼 작용하여 받은 전자를 전해질로 다시 돌려보내 전류를 완성시켰다. 그러나 투명하기 때문에 후방 패널로부터 시스템으로 빛은 통과할 수 있다.
Gratzel 연구팀은 다양한 두께의 염료로 채워진 층을 실험했다. 연구팀은 만약 염료로 채워진 층의 두께가 약 15㎛(micro
meter)일 때, 빛이 전방의 패널을 통과해 전기를 생성하는 태양전지의 에너지 전환 효율(energy conversion efficiency)이 약 6%에 이르며, 추가로 후방 패널을 통과해 일광이 도달할 수 있는 전환 효율은 약 5.5%가량임을 확인했다.
이 연구에 사용된 전해질 이외에 다른 전해질들은 10%이상의 효율에 도달할 수 있다고 Gratzel은 밝혔다. 새로운 양면 태양 전지(two-sided solar cell)에 효율이 높은 전해질을 이용하면 전환 효율은 15~20%에 도달할 수 있을 것이며, 유사한 조건의 실리콘 태양전지 수행력보다 더 우수한 효율을 달성할 수 있다고 Gratzel은 지적했다.
연구팀이 새로운 태양전지 디자인을 발표하기 전 이미 DSSC는 업계의 관심을 받기 시작했다. 2008년 초 소니(Sony)사는 상업적 용도로 요구되는 수준인 에너지 전환 효율 10%인 전지를 개발했다고 발표한 바 있다.
영국 카디프(Cardiff)에 본사를 둔 DSSC 제조 기업인 G24 Innovations사의 회장인 Robert Hertzberg는 기업들의 효율성 산정에 오류가 있다고 밝혔다. Hertzberg는 새로운 기술은 비가 오는 조건이라도 낮은 빛에서 동력을 포획할 수 있게 해 줄 수 있다고 지적했다. 실리콘 태양전지는 일광이 강력한 동안에만 동력을 포획할 수 있게 한다. 즉 새로운 양면 태양전지는 어떤 기후 조건이라도 태양전지의 수행력을 개선할 수 있다는 사실을 의미한다. GTB

고효율 고분자 태양전지
현재 태양전지는 취급하기 어렵고 구매가격이 높으며 설치하기도 까다롭다. 앞으로는 지역 철물점에서 태양전지를 구매하여 포스터처럼 벽에 걸게 될 지도 모른다.
UCLA(캘리포니아대학)의 연구팀은 이런 상황의 실현이 눈 앞에 다가왔음을 보여주고 있다. 미국 화학회지 게재한 보고서에 따르면, 재료분야 교수인 Yang Yang 연구팀은 태양전지용으로 새로운 고분자의 설계 및 합성법을 소개하고 있는데, 이것은 햇빛 흡수 및 전환능력이 기존의 고분자에 비해 월등한 것으로 나타났다.
연구팀은 고분자 주쇄(backbone)의 탄소를 실리콘 원자로 교체함으로써 고분자의 광전지 특성을 크게 향상시켰다. 이 실롤(silole)을 포함하는 고분자는 결정화가 가능하여 고효율 태양전지의 가능성도 내포하고 있다.
요즈음의 에너지 위기와 관련하여, 태양전지의 대중화에 기여하기 위한 새로운 기술이 필요한 시점이다. 이번의 새로이 합성된 고분자는 현재의 지붕용으로 많이 쓰이는 적용 한계를 크게 넘어설 전망이다.
고분자는 포장지처럼 가볍고 저가의 플라스틱으로 사용되고 있으며 절연제, 파이프, 가정용 제품 및 인형과 같은 저렴한 제품에도 사용된다. 고분자 태양전지는 유기화합물을 활용하여 햇빛으로부터 전기를 생산한다. 기존의 실리콘 기반의 태양전지에 비해 훨씬 저렴하고 친환경적이다.
그러나 고분자 태양전지가 수 년 동안 이용되고 있지만 여전히 효율이 낮다. Yang 연구팀이 개발한 새로운 고분자는 효율은 연구발표 당시 5.1%였으며 몇 달 후 5.6%로 향상되었다. 연구팀은 그들이 사용한 태양전지의 광전지 물질이, 단층의 로우 밴드갭 고분자(low-band-gap polymer)에서는 가장 효율이 좋다는 것을 증명하였다.
밴드갭이 줄어들수록, 고분자 태양전지는 태양 스펙트럼을 더 잘 활용함으로써 햇빛을 더 많이 흡수할 수 있다. 밴드갭이 커지면 빛은 쉽게 흡수되지 못하고 낭비된다.
이전에는 고분자의 합성공정이 매우 복잡하였으나, 연구팀은 이 공정을 단순화시킴으로써 쉽게 대량생산하는 길을 열어 두었다고 본 연구의 공동저자인 Jianhui Hou는 연구팀은 고분자 태양전지의 효율을 10% 이상으로 높이려는 시도를 하고 있다고 밝혔다.
본 연구에 자금 지원을 한 Solarmer Energy사는 최근 상업화를 위해 캘리포니아대학으로부터 기술에 대한 라이센스를 취득하였다. GTB

차세대형 박막 태양전지의 평가 기술에 관한 공동 연구
일본 다이니폰 스크린 제조 주식회사와 기후 대학은 태양전지 패널에서의 실리콘막 측정 기술에 관한 공동 연구 계약을 체결, 차세대형 박막 태양전지의 평가 기술 연구를 개시한다.
최근, 태양광 발전은 석유 등의 화석 에너지를 대신하는 새로운 에너지원으로 기대가 높아지고 있어 다양한 대학이나 기업에 의해 보다 발전 효율이 높은 태양전지 패널의 실현을 향해서 연구 개발이 진행되고 있다.
기후 대학은 2006년 12월 차세대 태양광 발전의 첨단 연구 개발 거점으로 독창적인 3개의 부문으로 이루어진 “미래형 태양광 발전 시스템 연구 센터”를 설치했다. 지난 10월에는 차세대형 박막 태양전지의 평가 기술을 연구하는 4번째 부문을 센터 내에 신설했다. 이 센터에서는 태양전지 기술에 관한 연구자 사이의 네트워크 기점이 되고, 또 그 연구 성과를 사회에 환원해 일본 산업계가 최고 수준의 국제 경쟁력을 유지할 수 있도록 공헌하는 것을 목적으로 하는 활동을 추진하고 있다.
한편, 대일본 스크린은 작년 7월부터 태양전지 관련 업계를 위한 본격적인 대처를 개시했다. 독자 기술을 응용한 금속재료의 성막, 도포 기술이나 색소 증감형 태양전지의 도금 기술 등의 개발을 진행시키는 것과 동시에 태양전지 패널의 막 두께 측정이나 막 품질 해석 등이 가능한 분광식 두께 측정장치(Spectroscopic Ellipsometry)의 판매를 개시했다.
이번에 두 회사는 안정된 성능과 품질을 가지는 차세대 태양전지의 생산에 기여하는 것을 목적으로 기존에는 대응할 수 없었던 미결정 실리콘의 막 두께 및 막 품질을 정확하게 측정하는 기술의 공동 연구를 실시한다. 향후, 이미 반도체 업계 등에서 많은 실적을 쌓은 막 두께 측정에 관한 장치 기술을 가지는 대일본 스크린은 태양광 발전 시스템에 관한 최첨단 기술의 연구 개발을 진행시키는 기후 대학과의 공동 연구 성과를 활용해 2009년말을 목표로 차세대 태양전지 중 하나로 여겨지는 박막 실리콘 태양전지를 구성하는 미결정 실리콘막을 대면적으로 정확하게 측정할 수 있는 세계 최초의 막 두께 측정 장치의 개발을 위해 응용 기술 연구를 추진한다. 대일본 스크린과 기후 대학은 이번에 산학 제휴 연구를 통해 분광식 두께 측정장치의 기능을 한층 강화해 급격한 성장이 전망되는 태양전지 업계를 담당하는 새로운 제조 프로세스 확립을 목표로 하는 것과 동시에 세계 에너지 산업 발전을 위해 공헌한다. GTB

저가 태양 전지가 가능한 고분자 필름
수년 동안 재료과학자들은 자이로드(gyroid)로 불리는 코르크 따개 형태의 고분자 구조를 연구해왔었다. 그런데 최근 자이로드 구조가 저가 광전압 전지(photovoltaic cell)를 자기 조립하는데 사용될 수 있다는 흥미로운 연구 결과가 보고되었다. 이러한 아이디어는 보다 경제적인 태양광 집진기 및 보다 효율적인 연료 전지를 도출할 잠재성을 내재하고 있다.
개발된 원형은 두 전도체 사이에 유기 염료(organic dye)가 샌드위치된 그라첼 태양 전지(Graetzel solar cell)의 변형으로서, 깍지를 낀 코르크따개 형태로 전도체를 형성하여 효율적인 전류 흐름이 가능하게 되는 것이다. 400 nm의 두께로 제조된 초도 개발 전지는 기존의 실리콘 기반 광전지와 비교해 0.7~1.7%의 낮은 변환 효율을 갖고 있지만, 박막 구조에서 이와 같은 수치가 얻어진 것은 놀랄만하다고 코넬대(Cornell University) 재료 과학 교수인 울리치 비에스너(Ulrich Wiesner)는 말했다.
연구진의 차기 과제는 개발된 전지를 보다 두껍게 만들어 보다 많은 빛을 모으는 것이며, 그들은 실리콘 기반 장치에 버금가는 효율성을 얻어낼 것으로 기대하고 있다. 참고로 현재 가용한 실리콘 기반의 태양 전지는 빛을 전기 에너지로 변환하는데 약 15%의 효율을 나타낸다. 비에스너 및 캠브리지대(Universities of Cambridge), 독일 프레이버그 연구소(Freiburg Institute for Advanced Studies), 프랑스 퀴리 연구소(Institute Curie), 미네소타대(University of Minnesota, Minneapolis) 연구진이 공조한 이번 연구 성과는 Nano letters에 게재되었다.
자이로이드는 블록 공중합 고분자(block copolymers)가 이용된 것으로 나노 수준에서 자기 조립된 가장 잘 알려진 네 가지 구조 중 하나이다. 고분자는 고체 혹은 반고체 물질을 구성하기 위해 사슬을 이루는 유기 분자로 구성된다. 블록 공중합 고분자는 말단에 두 분자를 결합시킴으로써 제조되기 때문에 이들이 사슬을 이루게 되면 고분자 한종은 평면, 구체, 실린더, 정글짐 형태의 자이로이드 등의 반복된 기하 형태 패턴을 형성하며, 또 다른 고분자가 그 사이의 공간을 채우게 된다.
몇 해전 비에스너 연구진은 고분자 중 하나가 이온 전도체로 작동하는 블록 공중합 고분자 구조를 제조하였으며, 서로 연결된 자이로이드 구조가 가장 효율적인 전도체란 것을 입증하였다. 태양 전지에 위와 같은 효율성을 이용하기 위해서 연구진은 공중합 고분자 자이로이드 필름을 형성한 후, 형성된 구조의 코르크 따개 영역을 용해시켜 이산화 티타늄(titanium oxide)으로 채워진 코르크 따개 형태의 몰드를 제조하였다. 이후 고분자의 나머지 부분을 가열하여 태우고, 이산화 티타늄을 전도성의 고체 구조로 결정화시켰다. 그런 다음 감광성 염료로 본 구조를 코팅하고, ‘홀’ 전도의 물질로 그 주변을 채웠다.
염료에 빛을 쪼일 경우 빛은 헐거워진 전자를 가격하게 되는데, 이는 이산화 티타늄 골격을 유동적이게 만드는 반면에 그 뒤에 남겨진 홀이 다른 전도체로 이동되도록 만든다. 따라서 필름 위와 아래의 전극에서 전류가 흐르게 된다. 태양 전지의 비밀은 전자-홀 쌍(electron-hole pairs)이 10 nm 이내의 두 전도체 사이에 존재하는 계면을 찾는데 있다. 블록 공중합 고분자는 분리된 두 블록의 길이에 따른 특성을 갖기 때문에 이번 연구 성과는 매우 놀랍다고 비에스너는 말을 맺었다. GTB

태양전지의 효율을 매우 향상시키는 금속 나노입자
미국 캘리포니아 대학(University of California at San Diego) 연구진은 태양전지의 성능을 매우 향상시키는데 금속 나노입자(metal nanoparticle)를 사용하였다. 금 나노입자를 InP/GaAsP 양자-우물 태양전지(quantum-well solar cell)에 증착시켰을 때 전원 변환 효율(power conver
sion efficiency)이 17%까지 증가했다. 이런 방법은 태양전지에서 높은 광자 흡수와 광유도 전하 캐리어(photogenerated charge carrier)의 효율적인 수집과 관련된 문제를 극복한다.
고효율 광기전성 장치를 만드는데 주된 장애물 중 하나는 물질 자체의 고유의 손실에서 오는 태양 전원 변환 효율의 감소이다. 태양 전지의 전원 생산은 시간당 얼마나 많은 전류와 전압을 옮길 수 있는지에 달려 있기 때문에 적당한 물질을 고르는 것이 더 높은 효율을 발생시키는데 매우 중요하다.
이것을 하기 위해서는 태양광으로부터 광자가 흡수될 때 광자를 매우 잘 흡수하거나 생산된 전하 캐리어(전자나 홀)를 효율적으로 수집할 수 있는 물질이 필요했다. 그러나 광자를 잘 흡수하기 위해서는 양자 우물 구조를 가진 전형적인 후막(1μm 이상)이 필요하지만 전하 캐리어를 효율적으로 수집하기 위해서는 훨씬 더 얇은 박막(0.2~0.3μm)이 필요했다. 이 새로운 연구에서는 이런 두께 차이로 발생하는 충돌을 조화시켰다.
InP 기질 위에 위치한 양자 우물 영역은 위와 아래의 경계 영역에 있고 더 낮은 굴절률을 가지는 물질이기 때문에 소위 슬랩 도파관(slab waveguide)을 만든다고 연구진은 알게 되었다. 광자는 슬랩 도파관 구조를 가진 태양전지 표면을 평행한 방향으로 이동될 것이고 이 길을 따라서 이동되는 광자는 양자 우물 영역 속의 긴 광학적 통로 때문에 흡수되어질 확률이 높아진다.
이런 방법은 심지어 박막 다중 양자 우물 층에도 적용할 수 있다고 연구진은 말했다. 이것은 광유도된 캐리어를 효율적으로 추출할 수 있기 때문에 가능하다. 그 다음에 이 방법은 도파관에서 직각 방향으로 투과하는 광자의 길을 인도할 것이다. 이것은 태양 전지 표면 위에 증착된 금속이나 유전체 나노입자에 의해서 분산될 것이다.
그래서 태양 전지는 점점 더 광을 수집할 수 있고 태양 전지가 더 높은 효율과 전류를 이동할 수 있도록 한다. 나노입자들은 더 많은 빛이 수집되도록 돕기 때문에 더 높은 전류 밀도와 전력 변환을 이끈다.
연구진에 따르면 장치 내부의 도파관 모드 속으로 분산된 광은 태양전지에 증착된 기존의 반사방지 층에서는 허락되어지지 않는 박막 광기전성과 이러한 장치에 응용될 수 있을 것이다.
고효율 양자 우물 태양전지는 고효율, 소형, 그리고 저중량이 필요한 우주나 지구 집신 장치에 이상적일 것이다. 이미 정립된 다중 접합 직렬 전지(multi-junction tandem cell)와 비교할 때 양자 우물 태양 전지는 단일 접합 구조로 되어 있고 다중 접합 전지를 성가시게 하는 전류-매칭(current-matching) 조건이 필요하지 않는다. 이것은 장치에 비추어지는 태양 방사선 양이 위치, 시간 그리고 대기 환경에 따라서 달라지는 곳에 적용할 수 있는 장점이 있다.
연구진은 현재 광 포집 효율을 더 향상시키기 위해서 더 낮은 굴절률 기판을 사용하는 연구를 진행하고 있다. ACB

일본 정부·여당, 사업용 태양광 발전설비 도입 촉진 위한 감세 추진
일본 정부·여당은 사업용 태양광 발전 설비의 도입을 촉진하기 위해 새로운 감세 조치를 마련하는 작업에 착수했다. 감세의 주요 내용은 사업자가 태양광 발전설비를 도입할 때 고정 자산세의 당초 3년도 분을 3분의 2 수준으로 경감해주는 것이다. 이를 적용할 경우 태양광 발전에서 표준적 규모인 50KW의 경우 3년간 약 45만 엔이 감세되며, 감세 규모는 총 1천만 엔 이상이 될 것으로 전망된다.
정부·여당은 사업용 태양광 발전과 관련하여 출력 1,000KW를 넘는 「메가 솔러」를 향한 보조 확충도 검토하고 있으며, 보조금·세 일체의 지원을 실시하는 발본적 제도의 도입 확대로 연결한다는 방침이다. 
사업용 태양광 발전의 감세에는 여당의 의향이 강하게 작용하고 있으며, 현재 경제산업성과 총무성이 의견을 조율하고 있다. 태양광 관련 세제에서는 이것 외에도 정부·여당의 생활 대책에 포함된 설비 도입 시 즉시 보상하여 갚아주는 ‘즉시상각’과 주택의 에너지 절약 개수(改修) 감세도 검토되고 있다.
고정 자산세의 특례 조치는 설비 도입 후 3년도 분으로 한정해 과세 표준을 3분의 2로 정하는 것이다. 사업용 태양광 발전설비 10KW의 경우에는 17년간 법정 내용 연수에 약 80만 엔의 고정 자산세 부담이 있지만, 신제도에서는 3년 동안 약 9만 엔의 부담이 경감되고, 50KW의 경우는 약 400만 엔으로부터 약 350만 엔 정도로 부담이 줄어든다.
경제산업성은 신제도에 근거하는 감세 효과는 전체적으로 1천만 엔 이상이라고 보고 있다. 이것은 보조금에 비하면 규모는 작지만 향후의 태양광 발전의 도입량 확대와 설비의 대형화에 의해 감세 효과는 한층 높아질 것으로 보인다.
사업용 태양광 발전은 규모의 대형화로 진전되고 있다. 칸사이 전력이 사카이시(市)에 총 출력 28,000KW 규모의 태양광 발전소를 설치하는 것을 비롯하여 전력 각사는 2020년도까지 약 30개 지점, 14만 KW의 도입을 계획하고 있다. 또한 경제산업성은 보조금에 대해서도 메가 솔러를 우대하는 조치와 면적 도입을 촉진하는 제도의 신설을 검토 중에 있다.
한편 주부전력(中部電力)은 아이치현 치타군 타케토요쵸(愛知縣知多郡武豊町)에 동사 최초의 대규모 태양광 발전(메가 솔러) 설비를 개발한다고 발표했다. 주부전력은 타케토요(武豊) 화력 발전소의 부지 내에 7,000KW의 발전 설비를 건설하고, 2011년 10월에 운전을 개시한다는 계획이다. 동사는 지구 환경 문제에서의 대처를 최대 중요 과제의 하나로 정하고, 풍력 발전 등의 신에너지 도입 추진과 에너지의 효율적 이용에 임하고 있으며, 이번 메가 솔러 개발도 동 계획의 일환으로 추진되는 것이다.
발전 과정에서 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않는 태양광 발전의 도입에 의해 연간 약 3,400톤의 CO2를 삭감할 수 있을 것으로 전망되며, 동 발전소는 주부전력의 타케토요 화력발전소 남쪽의 약 12만 평방미터에 건설되며, 일사량과 부지면적 등 메가솔러의 설치에 적절한 여건을 고려하여 태양광 설비의 설치가 결정됐다. 동 발전설비는 2009년 11월에 착공되고, 운전 개시는 11년 10월로 예정되어 있다. 총사업비는 공표되지 않았지만, 수십억 엔 규모일 것으로 추정되며, 태양광 설비로서 7,000KW의 용량은 동사 지역 내에서 최대 규모이고, 발전량은 전량계통 전력으로서 이용된다.
전기사업 연합회는 2020년도까지 전국 30개소에서 합계 140,000KW의 메가 솔러를 건설할 계획이며, 주부전력은 이 중 15%에 상당하는 약 20,000KW의 개발을 목표로 하고 있다. ACB