태양광 발전을 전력으로 직접 축전하고 직접 사용하는 시스템 개발
일본 동북대학교 환경연구과 토지 카즈유키(田路和幸) 교수가 연구대표를 맡고 있는 환경성 지구온난화대책 기술개발사업 프로젝트는 NEC, 토킨, 스미토모상사, 세키스이하우스 등의 협력을 통해, 태양광 발전의 직류전력(DC) 전량을 주간에 직류전력 그대로 리튬이온전지에 직접 축전하여 축전한 전력을 가전기기에 직류전력으로 직접 이용할 수 있는 시스템을 개발하고 이의 실증실험에 성공했다고 밝혔다.
이 시스템은 직류전력/교류전력(DC/AC)의 변환을 2회 수행하는 종래형 태양광 발전시스템과는 다른 것으로서 DC/AC 변환을 하지 않기 때문에 에너지 이용효율을 비약적으로 높일 수 있는 기술이다. 가령 1kW 정도의 소형 태양광 발전 패널과 절전형 가전의 DC화를 통해, 약 4시간 이용의 경우, 가정 내의 CO2 배출량을 약 40% 줄일 수 있다고 한다.
자연에너지를 전력으로 이용하고자 하는 노력이 활발해지고 있으나, 원래 자연에너지는 불안정한 에너지이기 때문에 국가적으로 이를 사회기반으로 이용하는 데는 문제가 있다. 따라서 발생한 전력을 축전지에 저장하여 활용하는 방법이 논의되어 왔다. 한편, 종래의 축전지는 수명이 짧고 전력의 보존 능력이 낮아서 충전과 방전을 빈번하게 반복하는 가정에서의 축전에는 바람직하지 않다. 따라서 기존 시스템의 결점을 보완할 수 있는 안전한 대용량 리튬이온 전지와 이의 효과적인 이용 시스템의 개발이 요구되어 왔다.
이번에 개발된 시스템의 특징은 다음과 같다.
(1) 발전, 축전, 사용에 이르기까지의 전 과정이 직류전력으로 모두 끝나기 때문에 직류와 교류의 변환 손실이 거의 0에 가깝다.
(2) 전선에 접속하는 계통연계의 필요가 없기 때문에 가정에서의 전력 이용기기의 전압에 맞추어 자연에너지를 매우 효과적으로 이용할 수 있다.
(3) 이 시스템에서 이용하는 대용량 리튬이온 전지는 종래의 축전지에 비해 수명이 길고 전력의 보존능력이 높아 가정에서의 자연에너지 이용에 유리하다.
(4) 또한 야간에 태양에너지의 이용이 가능하고, 가정 내에 있는 미이용 에너지(미약 에너지)와 자연에너지의 이용이 가능하다.
(5) 에너지의 이동이 가능하며 야간전력 활용 등 계통연계에 의해 전력부하의 평활화를 도모할 수 있다.
연구팀은 향후 가정 내의 미약전력의 축전을 포함하여 가정 전력의 자급자족을 가능케 하고 전력 사용에 의한 CO2 배출량을 제로화하는 것도 가능할 것으로 보고 있다. 또한 가정 내에서의 효과적인 태양광 축전이 실현되면 소전력 가전의 DC화와 DC 전압의 표준화가 진행될 것으로 기대된다. 동북대학교 환경과학연구과 연구팀은 미약 에너지 축전 시스템을 포함하여 이 시스템의 실증 운용을 2010년 3월 완성 예정인 에코하우스에서 시작할 예정이라고 한다. GTB

中, 박막 태양전지 산업화 적극 추진
박막 태양전지(Thin Film solar cell, 薄膜太陽電池) 생산라인의 증가는 지난 2008년도 중국 태양전지 산업의 뚜렷한 특징으로 나타났다. 박막 태양전지는 개발이 된 지 오래 되었지만 전기 전환 효율이 높지 못하고, 쇠퇴 감소 비율이 비교적 높은 등 문제점으로 인해 산업계의 관심을 불러일으키지 못하였으며 시장에서의 제품 점유 비율도 높지 못하였다.
박막 태양전지 기술이 지속적으로 발전하고 전기 전환 효율성이 신속히 향상되면서 지금은 2년 전에 비해 전기 전환 효율이 30~40%정도 향상되었다. 결정체 실리콘 태양전지와 비해 아직도 전기 전환 효율성이 떨어지지만 제품에 투입되는 원자재가 적고, 공법이 간단하고, 에너지 소모가 적고, 원가 면에서의 강점을 소유하고 있어 중국 태양전지 산업계의 중시를 받고 있다.
최근 3년간 박막 태양전지 산업은 신속히 발전하기 시작하였는데, 지난 2007년도 박막 태양전지 시장 점유 비율은 지난 2006년도의 8%에서 12%로 증가하였으며 지난 2008년도에는 15~20% 증가한 것으로 나타났다고 한다. 관련 전문가들의 예측에 따르면, 박막 태양전지는 미래 신 에너지 제품 시장에서 차지하는 비중이 대폭 증가하여 결정체 실리콘 전지와 경쟁하게 될 것이라고 한다. NanoMarkets의 예측에 따르면, 박막 태양전지는 오는 2015년에 발전(發電)량이 26GW에 달하고 전지 판매 금액은 200억 달러를 넘을 것이며 박막 태양전지 발전량의 50%이상 정도는 박막 태양전지를 통해 생산될 것이라고 한다.
실리콘 재료의 부족은 박막 태양전지 발전의 주요한 동력 중 하나가 되고 있다. 지난 2008년 상반기에 실리콘 원자재가 심각히 부족한 상황은 결정체 실리콘 전지 개발 업체들을 곤경에 빠뜨렸다. 하지만 박막 태양전지는 기술 면에서 ‘PECVD(플라즈마체 화학 기상(氣相) 침적 방법) 기술’을 이용하여 ‘비(非) 결정체 실리콘 혹은 마이크로 결정체 실리콘 박막을 증착시키는 방법’을 취하고 저렴한 유리 혹은 스테인리스(stainless steel) 재료를 기판으로 하여 박막 태양전지 제품을 개발함으로써 재료 분야에서 강점을 충분히 발휘시켰다고 한다.
그 외, 박막 태양전지에 대한 중국 산업계의 관심을 불러일으킨 또 하나의 원인은 박막 태양전지를 이용한 전기 생산 원가가 비교적 저렴한데 있다고 한다. 결정체 실리콘 태양전지 산업 체인의 각 ‘사슬 연결 고리’마다 공법이 복잡하고 에너지 소모가 크기 때문에 전기 전환 효율성이 높다고 하지만 전체적으로 봤을 때 전기 생산 원가가 매우 높은 상황을 전환시키지 못한 상황에 처해 있다고 한다. 이런 점은 태양전지를 통해 생산한 전기를 전력망에 공급하는데 있어서의 중요한 장애가 되고 있다고 한다. 하지만 박막 태양전지는 공법이 간단하고 생산 원가가 저렴하여 현재의 박막 태양전지를 통한 전기 생산 원가는 전력망에 공급할 수 있는 전기 가격 요구에 도달하였다고 한다.
중국은 전세계적으로 태양전지를 연구 개발하고 생산하는 주요 국가 중 하나에 속한다. 중국에서의 박막 태양전지 개발 업체는 최근 신속히 증가하기 시작하였다. 중국 최초의 박막 태양전지 개발 업체는 ‘하얼빈(哈爾濱) 커뤄라(克羅拉)’, ‘선전의 위캉(宇康) IMV’로서 ‘단일 연결 a-Si 전지 생산라인’이 구축되어 관련 제품을 생산하는 상황이었다.
최근에 중국 ‘푸지엔(福建) 쥔스(鈞石) 에너지’, ‘톈진(天津) 진넝(津能)’, ‘벙부(蚌埠) 푸러(普樂)’ 등 이미 건설되었거나 건설 중에 있는 박막 태양전지 개발 및 제조 업체는 20개에 달하는데, 생산 규모는 몇 MW에서 몇 십 MW에 달하며 제품 사이즈는 1m2 규모에서 몇m2 규모에 달하며 ‘여러 층을 중첩시키는 a-Si/a-Si 전지’도 개발하고 있다. 이런 전지의 안정적인 효율은 5~6% 수준에 달하며 현재 이미 응용 단계에 들어갔으며 많은 업체들은 수백 MW에 달하는 제품을 개발하고 있다고 한다.
결정체 실리콘 태양전지 개발 및 제조 업종에 종사하던 중국의 여러 태양전지 개발 및 제조 업체들도 박막 태양전지 생산 라인을 구축하고 제품 전환을 추진하고 있다. 특히 국제적으로 유명한 중국 장수(江蘇)성 우시(無錫)시에 위치하여 있는 ‘상더(尙德)’ 등 유명 태양전지 개발 및 제조 업체들도 실리콘에 기반한 박막 태양전지 개발 및 생산을 적극 추진하고 있다고 한다. GTB

태양 전지 향상 잠재성
최근 로스 알라모스(Los Alamos National Laboratory) 빅토르 클리모프(Victor Klimov) 연구진은 광자(photon)가 다중 전자(multiple electrons)를 생성하는 캐리어 다중화(carrier multiplication)가 작은 반도체 결정에서 나타나는 실제적 현상이란 것을 입증하였다. 다시 말해, 캐리어 다중화를 모방하는 외부 효과에 의해 생성된 잘못된 관찰 결과가 아니란 사실이다. Accounts of Chemical Research에 연구진은 광자 하나 당 단위 에너지 하나 이상을 생성하는 태양 전지의 가능성을 보고하였다.
로스 알라모스 연구진은 태양전지의 에너지 출력을 증가시키기 위해 극소의 반도체 입자에서 나타나는 캐리어 다중화를 재평가하였다. 기존 태양전지가 광자를 흡수할 때 전지는 전자를 유리시켜 전류를 생성하게 된다. 전자를 전도 상태로 변환시키고 남은 과량의 에너지는 재료 격자의 원자를 진동시켜 열로 소실된다. 만약 캐리어 다중화를 통한 과량 에너지는 재료 격자(material lattice) 대신 또 다른 전자로 이송될 수 있다면, 전자를 유리시켜 전류를 생성함으로써 보다 효율적인 태양 전지의 구현이 가능하다.
클리모프 연구진은 특정 반도체 재료의 나노결정(nanocrystals)이 광자를 흡수한 후 하나 이상의 전자를 생성할 수 있다는 것을 최근 입증하였다. 이러한 성질은 나노입자 영역 내에서 결속된 전자간의 강화된 상호작용에 기인한다. 2004년 로스 알라모스의 리차드 슈왈러(Richard Schaller) 및 클리모프 연구진은 흡수된 광자 당 최대 2개의 전자-홀 쌍(electron-hole pairs)을 형성하는 납 셀레니드(lead selenide) 나노 결정에서 강한 캐리어 다중화를 최초로 관찰하였다. 일년 후 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 아써 노직(Arthur Nozik) 연구진은 이러한 결과를 재현할 수 있었다. 사실, 캐리어 다중화의 분광학적 분석은 실리콘 등 다양한 조성의 나노결정에서 관찰되었다.
최근 캐리어 다중화 연구는 많은 논란을 일으키고 있다. 특히 몇몇 연구 결과에 따르면 캐리어 다중화의 효율성이 미비하거나 혹은 무시할 정도라는 것으로서, 선행 연구를 반박하는 결론이었다. 이와 같은 이견을 해결하기 위해 로스 알라모스 연구진은 상이한 캐리어 다중화 효과에 대한 인자를 분석하였다. 이러한 인자에는 시료간 변화, 검출 기술의 차이, 캐리어 다중화 신호의 모방 효과 등이다.
특정한 검출 기술이 결과에 어떻게 영향을 미치는지 분석하기 위해 연구진은 추이 흡수 및 시간 해상 광루미네슨스(transient absorption and time-resolved photoluminescence)의 두 분광법을 이용하여 캐리어 다중화를 조사하였다. 두 방법에서 얻어진 연구 결과는 일치되었는데, 이는 상이한 검출 방법에 의한 차이는 아닌 것으로 결론내릴 수 있었다. 측정 결과는 캐리어 다중화에서 시료간의 차이를 나타내기는 하지만, 선행 연구결과에서 나타난 차이들보다는 상당히 작다.
위와 같은 잠재적 차이를 배제한 후 연구진은 캐리어 다중화를 모방할 수 있는 효과에 대해 연구의 초점을 맞췄다. 이러한 효과 중 하나는 나노결정의 광이온화(photoioniza
tion)이다. 나노결정이 높은 에너지의 광자를 흡수하면 전자는 재료를 이탈할 정도의 충분한 에너지를 얻게 된다. 이때 하전된 나노결정이 생성되는데 양의 홀이 남게 된다. 두번째 광자에 의해 또 다른 전자가 생성되면 2 홀-1 전자 상태가 형성되는데, 이는 캐리어 다중화로 생성된 것과 닮아 있다.
광이온화의 영향성을 평가하기 위해 연구진은 고요 및 휘저은 나노결정 용액에 대해 연속된 실험을 수행하였다. 휘저음은 시료 측정 영역에서 하전된 나노결정을 제거하게 된다. 따라서, 결정이 빛을 받을 때 휘저음은 하전된 나노결정이 둘째 광자를 흡수하는 가능성을 배제한다. 몇몇 시료의 휘저음은 측정 결과에 영향을 미치지 않지만, 다른 시료들에선 캐리어 다중화에 명백한 차이가 나타났다. 대부분의 선행 연구가 고요한 시료에서 수행되었기 때문에 이전 연구에서 나타난 차이는 조절되지 못한 광이온화에 기인하는 것으로 생각될 수 있다.
이후 로스 알라모스 연구진은 광이온화를 억제하여 캐리어 다중화 효율성을 재평가하였다. 이때 측정된 전자 수율은 이전에 보고되었던 것보다 낮은 반면 캐리어 다중화의 효율성은 여전히 벌크 고체에서보다 컸다. 특히 에너지 개시 그리고 나노결정에서 잉여 전자를 생성하는데 필요한 에너지 모두 벌크 고체에서 필요한 에너지의 반이었다.
연구자들이 수행해야 할 일들이 여전히 많이 있다고 클리모프 연구진은 말한다. 가장 중요한 도전과제 중 하나는 잉여 전자를 생성하는 필요한 에너지가 반도체 밴드갭으로 정의된 한계에 근접한 재료를 디자인하는 것이다. 이러한 재료는 태양 전지의 기본적인 전력 변환 한계를 31%에서 40%로 향상시킬 가능성을 내재하고 있다. GTB

태양광으로 충전하는 휴대전화 공개
태양광으로 충전하는 친환경 휴대전화가 스페인 바르셀로나에서 열릴 Mobile World Congress의 쟁점들 중의 하나이다. Samsung은 지난 2월 13일 세계 최초의 태영광 충전 휴대전화인 Blue Earth를 공개하였다. 이상하게도, 중국 밴더인 이동 통신 사업자인 Digicel과 협력관계에 있는 ZTE와 네덜란드 신생 기업 Intivation은 또한 `세계 최초` 출시를 예정하고 있는데, 후자는 저가의 태양광 충전 방식의 휴대 전화의 ‘선풍적인 세계 초연’을 제공할 예정이다. 모두들 이것이 특히 신흥 시장에서 거대한 새로운 시장 영역을 설정할 것이라고 말한다.
Blue Earth 기기는 휴대전화의 뒷면에 태양 전지판을 가지고 있는데, Samsung은 언제 어디서든 사용자들이 전화를 걸 수 있도록 충분한 전력을 공급한다고 주장한다. 평평하고 둥근 조약돌의 미학을 바탕으로 설계된 이 휴대전화는 Samsung의 녹색 전략의 연장선상에서 재생 플라스틱 물병을 이용해 만들어졌다. 따라서 브롬계 난연재, 베릴륨, 프탈레이트 등의 유해 물질들을 사용하지 않았다.
충전기는 0.03W보다 더 낮은 대기 전력을 사용하는 별 5개의 에너지 효율을 갖는 모델이고, 휴대전화는 풀 터치 스크린과 스크린 밝기와 백라이트 지속 시간을 줄이는 친환경 에너지 효율 모드를 포함한다.
Samsung은 내장된 보수계와 ‘eco-walk’기능을 통해, 친환경 운동가들은 발걸음 수를 셀 수 있고, 운전을 하지 않음으로써 얼마나 많은 이산화탄소 배출을 감소시켰는지를 계산할 수 있다고 한다.
휴대전화의 탄소 중립 특성에 관해서, Samsung은 물론 지난달 재활용 생수통으로 만든 휴대전화를 공개한 Motorola의 행적을 따라가고 있다. Moto W233 Renew라고 불리는 휴대전화는 완벽하게 재활용가능한 것으로 알려져 있다.
Motorola는 휴대전화를 위한 포장재의 22퍼센트를 감소시켰다고 말한다. Renew는 2009년 1/4분기에 T-mobile을 통해 출시될 예정이다. GTB

태양전지를 위한 폴리머 복합물 나노로드 어레이
Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서 대만 국립교통대학(National Chiao Tung University) 연구진은 태양전지에 적용될 수 있는 P3HT(poly(3-hexylthio
phene))와 PCBM([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 복합물로 되어 있는 잘 정렬된 코어-쉘(core-shell) 구조의 나노로드 어레이(nanorod array)를 만들기 위해서 다공성 양극 알루미나 산화물(porous anodic alumina oxide, AAO) 템플릿(template)의 용해-조력 습식(melt-assisted wetting) 방법을 사용했다. 이 잘 정렬된 구조의 크기는 AAO의 기공과 진공 상태에서 용해를 돕는 젖음성 상태에 달려 있다.
나노로드의 평균 직경은 잘 정렬된 AAO 멤브레인 나노기공의 크기와 동일했다.
나노로드의 어두운 중앙 영역은 PCBM가 풍부한 영역을 나타낸다. 이 영역에서는 P3HT가 풍부한 영역보다 더 높은 전자 밀도를 가진다(스케일 바: 50 나노미터).
또한 전도성 모드 원자힘 현미경(conduc
ting mode atomic force microscopy)은 코어와 쉘 영역 사이의 전기 편차 특성을 설명하는데 사용되었다. AFM 팁(tip) Pt와 하부 전극 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO)은 5.7과 4.8 eV의 높은 일함수(work function)를 가지기 때문에 전류는 주로 정공 수송(hole transport)으로 만들어졌다. Pt가 코팅된 팁의 편향으로 ITO의 표면 전기 성질은 중요한 역할을 하지 않는다.
다공성 AAO 멤브레인에서의 P3Hr/PCBM 혼합물의 상 분리는 전단응력으로 유도된 유동으로 결정된다. 전단응력은 AAO 기공벽을 따라서 가장 크고 AAO 기공의 중앙에서 가장 작다. PCBM의 점성률은 120도에서 P3HT보다 더 크기 때문에 AAO 기공벽을 따라서 인가되는 최대 응력은 P3HT가 풍부한 영역에서 더 낮은 점성률을 유도할 것이다. 반면에, AAO 기공의 중앙에 인가되는 최소 응력은 PCBM이 풍부한 영역에서 더 높은 점성률을 가지도록 할 것이다. AAO 템플릿의 용해-조력 습식 방법은 폴리머와 나노입자로 구성된 코어-쉘 구조의 나노로드 어레이를 만드는데 효율적인 방법이 될 수 있다. 이 나노로드 어레이 구조는 조명에 대한 후면 전자 전달(back electron transfer)의 가능성을 최소화하여 경계면에서 전극까지 일직선이고 독립적인 전하 길을 제공하기 때문에 잘 정렬된 벌크 이종접합(hetrojunction) 폴리머 태양전지에 큰 잠재력을 가지고 적용될 수 있을 것이다. GTB

저가 태양 전지의 핵심 : 저가 재료
풍부하게 존재하지만 실리콘 및 기타 반도체보다 저가인 기존과 다른 태양전지 재료(solar cell materials)는 태양 광전압 전지(solar photovoltaics)의 원가를 현저히 떨어뜨릴 수 있다고 캘리포니아 버클리대(University of California, Berkeley) 및 로렌스 버클리 국립 연구소( Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL))의 과학자들은 말한다.
몇몇은 자연에 매우 풍부하게 존재하는 것으로 이러한 재료들은 태양전지를 전지구적으로 중요한 저탄소 에너지의 자원으로 확대하는데 일조할 수 있을 것이다. 지난 2월 13일 Environmental Science & Techno logy에 보고된 분석 결과는 태양 광전압 전지의 대규모 전개에 있어 가장 많이 보도된 문제 두 가지 즉, 가격과 자원의 풍부함에 대해 조사하였다. 버클리 연구진은 23가지 반도체 재료를 평가하였는데, 이중 12가지가 전세계의 에너지 요구량을 충족시킬 수 있을만큼 충분하다는 것을 확인하였다. 더불어 12가지 중 9종이 현재 대량 생산되는 광전압 전지 재료인 결정 실리콘보다도 낮은 원재료 가격을 형성할 수 있다는 것도 조사되었다.
금번 연구 결과는 미 자원부의 청정 에너지 확대 계획과 더불어 새로운 태양전지 연구에 대한 로드맵을 제공할 것이라고 다니엘 카멘(Daniel Kammen)은 말한다. 카멘, 박사 후 연구원 시러스 와디아(Cyrus Wadia), 폴 알리비사토스(A. Paul Alivisatos) 연구진은 지난 수십 년간 태양 전지 연구에서 간과되었거나 혹은 개발되지 못했던 재료를 연구하기 위한 프로젝트에 착수하였다. 연구진이 새로운 재료 연구에 착수한 이유는 사람들이 태양을 미래의 주된 에너지 원으로 고려하고 있기 때문이다. 태양은 지구에서 가장 신뢰적이고 풍부한 자원이기 때문에 태양에너지의 잠재성은 명확하지만, 현재의 태양전지 기술은 실제적으로 사용되기엔 여전히 한계가 있다. 긍정적인 생각을 갖는 것은 중요하지만, 태양에너지 시스템의 실용성을 고려해 볼 때 위에서 제기된 가격 및 풍부성의 문제에 대한 연구에 집중해야만 할 것이다.
가장 대중적인 태양전지 재료는 실리콘(silicon) 그리고 카드뮴 텔루리드(CdTe (cadmium telluride)) 및 구리 인듐 갈륨 셀레니드(CIGS (copper indium gallium selenide))로 제조된 박막(thin films)이다. 이러한 재료들은 태양 전지를 재생 에너지 시장의 핵심으로 자리잡게 할 수 있지만, 제조의 문제로 인해 여전히 제한된다. 실리콘은 공정 및 대량 생산시 많은 비용이 소요된다. 또한 소비자의 요구를 충족시킬 정도로 충분한 실리콘을 채굴하는 것도 점점 어려워지고 있다. 한편, 실리콘보다 저렴하며 대량 생산이 보다 용이한 박막은 전세계 에너지 요구량을 충족시킬 경우 자연 자원을 빠르게 고갈시킬 것으로 예상된다.
연구진은 다양한 기술 포트폴리오를 보유하고 있으며, 광전압 전지 기술의 상용화에 대해 지속적으로 연구하고 있다. 그러나, 현재까지의 연구 결과로 알 수 있는 사실은 몇 몇 박막 재료라도 전세계의 전기 소비량을 충족시키기가 어렵다는 사실이다. GTB