광 축전지 : 태양전지와 축전지의 기능을 하나의 전극에
鹿兒島大學 工學部의 堀江 / 野見山 연구팀(堀江雄二准 교수, 野見山輝明 조교)에서는 빛으로 충전할 수 있는 축전지(광축전지)를 개발했다. 빛으로 충전하는 기능은 태양전지와 축전지의 2셀의 조합으로 가능하다. 이에 대해 이 연구의 광축전지는 발전과 축전을 동시에 하는 광축전극과 대극을 이루는 1셀로 구성된다. 광축전극은 반도체와 축전재의 복합전극으로 광조사 하에서 반도체 속에 발생한 광 여기 캐리어에 의해 축전재와 전해질 속의 활 이온이 반응하여 축전된다.
  종래의 「태양전지+축전지」에서는 「빛→전기→전기화학(저장)」으로 에너지 변환되는데 대해 광축전지에서는 「빛→전기화학」으로 변환과정이 줄기 때문에 광 여기 캐리어를 효율적으로 축전에 이용할 수 있게 되면 높은 광축전 효율(방전 에너지/충전 광에너지)를 기대할 수 있다. 이를 위해서는 반응장이 되는 반도체·축전재·활이온 3자의 접촉영역이 넓고 거기에 빛이 닿는 구조를 나노레벨에서 설계, 제어할 필요가 있다.
지금까지 반도체로서 산화티탄(TiO2), 축전재로서 탄소재료와 도전성 고분자 등의 복합 전극의 제작법과 광축전성을 연구해 왔다. 그 과정에서 TiO2 다공막의 공극에 도전성 고분자 폴리아닐린(PANi)가 치밀하게 충전된 나노 복합막을 얻었다. 이 막은 TiO2와 PANi의 접촉영역은 넓으나 표면의 대부분이 PANi로 뒤덮여 있기 때문에 TiO2의 수광(受光)량이 적어 충분한 광축전 반응장을 얻을 수 없다. 따라서 막 표면에서 강한 자외광을 조사하여 TiO2의 광촉매능으로 PANi를 분해(광전기화학 에칭)함으로써 표면의 TiO2다공막을 노출시켜서 광축전 반응장을 형성하는데 성공했다. 이 수법은 막후 방향에 서브 미크론 이하의 구조를 형성할 수 있어 광축전지뿐 아니라 무기 유기 복합체의 구조형성에 유용하다.
현재 광전기 호학 에칭에 의한 구조형성에 착수하기 시작한 상태로 충분한 견해를 얻은 것은 아니지만 광축전 효율 ~ 0.01%(자외광 충전), 방전용량 40㎂h/cm2의 광축전지의 시작에 성공했다. 앞으로 구조 제어와 함께 TiO2흡수역의 확대, 대극과 전해질의 최적화 등 과제는 산적해 있지만 도전성 고분자 PANi의 가소성을 살린 시트상 광축전지로서 실용화를 꾀할 예정이다. CJ

색소증감 태양전지 
신재료 사용 고성능·고내구성화
최근 저가 제조가 가능한 차세대 태양전지의 하나로서 색소증감 태양전지가 주목을 받고 있어, 실용화를 위한 연구개발이 일본 내외에서 활발하게 이루어지고 있다. 셀의 태양 에너지 변환효율은 최고가 11%라고 보고되어 있다. 단, 종래의 색소증감 태양전지의 경우는 일반적으로 광 흡수 재료로서 루테늄 착체가 이용되고 있다는 점에서 대규모로 실용화되었을 경우에 귀금속인 루테늄의 자원적 제약에 의한 가격의 비등이 문제가 될 가능성이 높다. 또한 전해액에 휘발성으로 저비점(低沸点)의 유기용매인 아트니트릴 등을 이용한다는 점에서 내구성이 실용화에 대한 커다란 과제가 되고 있다.
이번에 상기의 과제를 해결하기 위해서 이온 액체 전해액을 이용한 유기색소 증감 태양전지의 개발을 실시했다. 유기색소는 루테늄 착체에 비해 자원적 제약이 적으며 광흡수 계수가 크고, 분자 구조의 제한이 적고 다양한 분자설계가 가능하다는 이점을 가지고 있다. 필자 등은 칼바졸 및 헥실 올리고티오펜 골격을 가진 MK-2색소를 개발했다. 여기에 이온 액체인 요오드화 메틸 프로필 이미다졸륨을 베이스로 하는 전해액을 조합시켜서 최고 7.6%의 높은 변환효율을 달성했다. 일반적으로 이온 액체 전해액을 이용했을 경우, 높은 점성 때문에 이온 전도도가 낮고, 고농도의 요소 레독스 이온을 포함하므로 그에 따른 광 흡수의 로스와 재결합이 일어나기 쉬워지는 등의 문제점이 있다. 따라서 루테늄 착체를 이용한 태양전지에서도 변환효율은 유기용매계 전해액을 이용했을 경우에 비해 대폭 저하한다. 그러나 MK-2에서는 높은 광흡수 계수나 재결합을 제어하는 분자설계에 의해 이온 액체 전해액을 이용했을 경우에도 높은 효율을 달성할 수 있었다. 또한 의사(擬似) 태양광(자외선 차단, 온도 50도)의 연속 조사 2000시간 이상에서도 효율은 저하하지 않고 양호한 내구성을 얻을 수 있었다. 이러한 결과에서 MK-2의 분자 디자인과 이온 액체 전해액의 콤비네이션으로 고효율과 높은 내구성을 실현할 수 있었던 것이라고 생각된다.(이상은 NEDO 2007년도 산업기술연구조성사업의 연구 성과) 실용화를 위해서는 그러한 고효율화와 고내구성화(자외선 조사 아래와 고온 조건 하)가 필요한데, 이어서 신규의 유기색소나 이온 액체전해액의 개발을 중심으로 실용화를 목표로 하여 연구개발을 해 나갈 예정이다. CJ

태양전지용 실리콘의 새로운 제조법 개발
용융염 중에서 SiO2를 전해 환원
일본 신에너지산업기술종합개발기수(NEDO; New Energy and Industrial Technology Development Organization)의 산업기술연구조성사업의 일환으로 도쿄대학 대학원 에너지과학연구과의 노히라(野平) 준교수는 태양전지용 실리콘의 새로운 제조법을 개발하였다.
지구온난화 방지를 위하여 기대가 높아지고 있는 태양전지 중에서 결정계(단결정, 다결정) 실리콘태양전지는 태양전지 생산량의 80% 이상을 차지하고 있으며, 변환효율, 신뢰성, 환경적합성이 높기 때문에 앞으로 비약적인 증산이 기대되고 있다. 원료가 되는 태양전지급 실리콘(6N-7N)은 반도체용 초고순도 실리콘(11N-12N)의 규격 외 제품이 사용되거나 반도체용 실리콘과 같은 방법으로 제조되고 있기 때문에 저가에 대량으로 공급하는 것이 어려운 문제이다.
종래의 탄소열 환원법은 다단 프로세스이므로 많은 에너지를 소비하여 제조비용을 대폭 낮추는 것이 어렵다고 한다. 또한, 실리콘에서 인과 붕소와 같은 불순물을 제거하는 것이 상당히 곤란하다. 그러나, 실리콘 원료인 SiO2로부터 불순물을 제거하는 것은 비교적 쉽기 때문에 본 연구는 SiO2단계에서 고순도화하고, 이것을 되도록 순도를 유지한 상태에서 실리콘으로 환원하는 방법에 주목하였다. 고순도 SiO2로부터 고순도 실리콘을 얻는 공정에서 탄소열 환원법을 이용하면 불순물이 많이 포함되기 때문에 용융염전해에 의한 환원에 주목하였다.
용융염 전해는 알루미늄제조로 대표되는 실적이 있는 기술이나 SiO2를 용융염 중에서 전해환원하는 기술은 지금까지 대부분 연구되지 않았다. 본 연구에서는 SiO2에 전도체를 접촉시켜 ‘SiO2촉형 전극’을 개발함으로써 용융염 중에서 절연체인 고체 SiO2를 실리콘으로 전해환원시키는데 세계에서 최초로 성공하였다.
전도체로서 금속을 사용하면 그 금속이 불순물이 되어 홉입되나, 고온에서 높은 전도성을 가진 실리콘을 이용함으로써 불순물 혼입을 크게 감소시키는데 성공하였다. 현 시점에서는 아직까지 약간의 금속불순물을 포함하고 있으나, 제거가 어렵다고 하는 인과 붕소가 적기 때문에 이미 확립된 정제기술을 수행함으로써 태양전지급 고순도를 달성하는 것이 가능하다.
개발된 “용융염 중에 SiO2 전해 환원법”에는 종래의 ‘탄소열 환원, 실란가스(Silane Gas) 증류 및 분해’를 이용한 방법과 현재 검토되고 있는 ‘탄소열 환원, 전자빔 용해 및 플라즈마용해’를 이용하는 방법과 비교하여 다음과 같은 특징이 있다.
- 저비용, 저에너지 소비로 제조할 수 있다.
본 방법의 용융염 전해에서는 2~3V의 낮은 전압에서 반응을 진행시킬 수 있기 때문에 저에너지를 소비하게 된다. 따라서 저비용으로 제조할 수 있다고 예상된다.
- 인 및 붕소를 제거할 필요가 없다.
실리콘으로부터 제거가 매우 곤란한 불순물인 인과 붕소를 SiO2 단계에서 제거하기 때문에 나중에 이것을 제거할 필요가 없다. 따라서 저비용화가 가능하다. GTB

양자점을 이용한 태양 전지의 효율 증가
친환경 에너지 자원으로의 전환은 21세기의 가장 중요한 도전과제 중 하나이다. 전기를 생성하기 위해 태양광을 이용하는 태양 에너지는 가장 촉망되는 자원으로서 많은 장점이 있다. 태양 전지(solar cells)는 온실 기체를 방출하지 않으며, 태양 에너지는 세계 어느 곳에서든지 활용이 가능하다. 하지만, 현재의 태양 전지 기술은 효율적이지 못하기 때문에 기존의 전력 자원보다 많은 비용이 소요된다. 그러나, 최근 희망적인 연구 결과가 보고되었다. 초고속 에너지 SLAC-스탠포드 PULSE 과학 연구소(SLAC-Stanford PULSE Institute for Ultrafast Energy Science) 연구진은 이전에 가능할 것으로 예측되었던 것보다 높은 효율을 얻어낼 수 있었다.
이번 연구 결과는 태양 전지를 보다 효율적으로 만들 수 있는 초석을 마련하였다고 PULSE의 켈리 가프니(Kelly Gaffney)는 말한다. 연구 결과는 시장에 판매되는 것과 기술적으로 가능한 것 사이에 막대한 차이가 존재한다는 것을 시사하였다.
PULSE 연구진은 하나의 전자 이상을 생성하는 광자를 관찰하였던 로스 알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory)의 연구 결과를 확인할 수 있었다. 이전의 과학자들은 하나의 광자(photon)가 정확히 하나의 전자만을 전이시켜, 태양 전지의 효율이 제한적이라고 생각하였다.
연구진의 실험에선 수천 개의 원자로 구성되는 양자점(quantum dot)이 이용되었다. 양자점의 크기 수준에서 물질은 벌크 형태와 다른 거동을 나타낸다. 원자의 모든 전자가 작은 영역에 갇혀 있기 때문에 양자점 내의 전자는 보다 큰 상호작용이 나타나, 상호작용의 효과는 증가된다.
지난 5년간, 몇몇 연구 그룹은 양자점을 이용하여 로스 알라모스 연구진의 실험 결과를 재현하려 했었지만, 성공할 수 없었다. 따라서, 다중 전이(multiple excitation)가 실제로 발생하는지의 여부는 많은 논쟁을 일으켰었다. 다시 말해 실제로 가능한 일이었지만, 거의 모든 사람들은 로스 알라모스 연구진의 발견을 믿지 못했었다.
스탠포드대 및 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)와 공조한 PULSE 연구진은 다소 다른 실험 방법을 통해 양자점에서 단일 광자가 하나의 전자 이상을 전이시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
연구진은 태양 전지에 벌크 재료 대신 양자점이 사용될 경우 이전에 생각되었던 것보다 태양 전지 프로세스가 보다 향상될 수 있다는 것을 확인하였다. 벌크 재료의 경우 1:1의 비율이 유지되어 하나의 광자는 하나의 전자만을 전이시키며, 추가적인 에너지는 열로 방출될 뿐이다. 그러나, 양자점에선 이러한 비율은 태양광의 색상에 따라 1:1에서 1:3의 비율을 가질 수 있다.
태양 에너지의 효율적 활용을 위한 차기 과제는 위와 같은 효율성을 실현할 수 있는 양자점을 이용하여 태양 전지를 실제로 제작하는 것이다. 어느 누구도 이러한 일을 수행한 적이 없으며, 이 연구는 이제 막 시작 단계에 접어들었다고 볼 수 있다. 본 기술은 매우 어려운 과학적 문제를 안고 있지만, 그 가능성만은 무한하다고 평가할 수 있다. GTB

태양에너지 저장을 위한 액체전지
현재 태양 에너지 기술이 직면한 가장 큰 문제 중 하나는 에너지를 효과적으로 저장하는 방법을 찾는 것이며, 이는 밤이나 흐린 날에 전기를 사용하기 위한 필수적 요소이다.
최근 MIT연구팀은 기존의 전지와는 다른 새로운 종류의 전지를 설계하였는데, 이 전지는 모두 액체인 활성 물질로 만들어졌다. MIT의 재료화학 교수인 Donald Sadoway 연구팀은 액체 전지의 프로토타입(prototype)을 제작하였으며, 이 재료가 다량의 전기를 빠르게 흡수함으로써 태양에너지 저장에 이용될 수 있음을 보여주었다.
이 전지는 세 층의 액체로 구성되어 있다: 전지에서 전해질은 일반적으로 고체 형태이지만 이번의 프로토타입은 상층과 하층에 액체 전극(electrode liquid)층을 포함하고 있으며, 중간층에는 액체 전해질(electrolyte liquid)을 포함하고 있다. 연구팀의 첫 프로토타입에서 전극은 융해 금속으로 상층에는 마그네슘(magnesium), 하층에는 안티몬(antimony)을 사용하였으며, 전해질은 황화나트륨(sodium sulfide)과 같은 융해염(molten salt)을 사용하였다. 이후 프로토타입에서는 다른 재료를 사용함으로써 성능을 개선시켰다.
각 액체가 다른 밀도를 갖기 때문에, 이 액체들은 자연스럽게 세 층으로 분리된다. 전하를 가할 때, 액체를 담고 있는 고체상태의 용기가 외부의 태양 패널이나 전력원으로부터 전자를 포집하게 되고, 방전할 때는 용기가 전자를 전력선으로 방출하게 된다.
전자가 전지로 유입됨에 따라, 전해질의 마그네슘 이온은 전자를 획득하게 되어 마그네슘 금속을 형성한 후 상층으로 이동하여 융해 마그네슘 전극이 된다. 동시에, 전해질의 안티몬 이온은 전자를 잃고 아래층으로 가라앉아 융해 안티몬 전극이 된다. 이 시점에서, 전지는 두꺼운 전극 층과 얇은 전해질 층이 형성되며 완전히 충전된다.
Sadoway가 최근 MIT의 Technology Review에서 소개했던 것처럼, 액체전지는 몇 가지 이유에서 태양에너지 저장을 위한 유명한 후보이다. 첫째, 오늘날 전지에 비해 비용이 1/3에 불과한데, 재료가 저렴하고 간단하게 제작을 할 수 있기 때문이다. 둘째, 액체전지는 기존 전지에 비해 내구성이 긴데, 이는 분해될 수 있는 고형의 활성물질이 없기 때문이다. 셋째, 액체 전지는 기존의 태양에너지 저장기법과 비교하여 다양한 곳에 이용될 수 있다. 가장 중요한 것은 액체전지의 전극은 기존의 전지에 비해 수십 배나 높은 전류에서 가동할 수 있다는 것이며 다량의 전기를 빠르게 저장하는 것이 가능하다. 연구팀은 5년 이내에 액체전지를 상용화할 계획이다. 전지를 대규모 전지팩(battery pack)에 연결시켜 뉴욕시 60,000평방 미터의 지역에서 필요한 전기를 공급할 계획이다. GTB

中, 박막 태양전지 산업에 대한 지원
정책 제정 예정
중국 ‘국가 발전 및 개혁 위원회’는 최근에 ‘박막 태양전지 산업 지원 정책’ 제정 및 실행에 대해 적극적인 검토를 실행하고 있다고 한다. 중국 ‘국가 발전 및 개혁 위원회’는 중국 중앙정부가 2009년, 2010년에 4만 억 위안(약 5,882억 달러)을 투입하여 중국 경제 및 산업 진흥을 추진하는 리스트에 ‘박막 태양전지 산업’을 포함시켜 정부 관련 지원을 받는 것을 적극 검토하고 있다고 한다.
중국 ‘국가 발전 및 개혁 위원회’는 최근에 ‘박막 태양전지 산업’을 지원할 데 관한 구체적인 정책을 적극 검토하고 있으며 중국 내 유명 태양전지 개발 업체들도 박막 태양전지 산업 분야로의 전환을 적극 검토하고 있다고 한다. 중국 ‘국가 발전 및 개혁 위원회’는 현재 중국의 박막 태양전지 산업 발전 잠재력에 대한 평가도 폭 넓게 진행하고 있으며 특히 국제적으로 유명한 박막 태양전지 개발 업체들에 대한 분석도 폭 넓게 진행하고 있다고 한다.
중국 ‘국가 발전 및 개혁 위원회’는 최근에 박막 태양전지 산업을 지원하기 위한 정책을 적극 검토하고 있는 상황은 중국 경제 발전의 대 환경 변화의 영향을 받았기 때문이며 중국 정부는 현재 중국 경제 및 산업 진흥을 추진하기 위한 새로운 성장점을 찾고 있는 작업 중 하나로 풀이된다.
중국 정부는 전세계적으로 발전 전망이 밝은 태양 에너지 산업에 큰 관심을 돌리고 있으며 특히 박막 태양전지 산업을 중점 육성시키는데 대해 큰 관심을 가지고 있는 상황이라고 한다.
중국 태양 에너지 산업계 관련 전문가들의 분석에 따르면, 경제가 지속적으로 성장하고 있는 중국 대륙에서 에너지 수요량은 지속적으로 증가할 것이며 특히, 경제가 과열되는 시기에 석유가 부족한 문제가 계속 대두되고 있는 상황에서 중국 중앙 정부는 에너지의 독자적인 공급 체계 구축에 대해 큰 관심을 돌리고 있는 상황이라고 한다. 이런 상황으로 중국은 태양 에너지 산업 발전을 대폭 추진하고 있으며 ‘무시(無錫) 상더(尙德)’, ‘장시(江西) 사이워이(賽維)(LDK)’, ‘톈워이(天威) 잉리(英利)’ 등 중국 내 태양 에너지 산업 분야 핵심 업체들도 중국 중앙정부의 높은 중시를 받고 있다고 한다.
중국 중앙정부가 박막 태양전지 산업에 대한 중시 정도가 대폭 향상됨에 따라 중국 내 태양 에너지 업계에 종사하는 기업인들과 기업체들은 박막 태양전지 산업에 대해 적극적인 평가를 진행하고 있으며 투자력이 있는 기업체들은 박막 태양전지 산업 진출을 적극 검토하고 있는 것으로 알려지고 있다. 중국 중앙정부가 박막 태양전지 산업에 대해 어느 정도의 지원을 제공할지에 대해서는 아직 명확한 내용은 없지만 박막 태양전지 산업은 전세계 금융 위기의 영향과 관계 없이 중국에서 새로운 성장 산업으로 부상하고 있다고 한다. GTB
태양전지 전용 투명 전극 재료 공급 개시
일본 이데미츠(Idemitsu) 주식회사(이하, 이데미츠)는 액정 패널이나 유기 EL 등의 플랫 패널 디스플레이(FPD)용 투명 전극 재료(주 1)로서 공급하고 있는 제품을 2009년 4월 1일부터 태양전지 전용으로 공급 개시한다.
이데미츠는 독자적으로 기술을 개발하여 산업 재산권을 가지고 있는 투명 전극 재료를 1999년부터 액정 패널이나 유기 EL 등 FPD 전용으로 판매하고 있다. 투명 전극 재료는 패널 생산 시 이물질 발생이 적고 박막의 균일성, 미세 가공이 뛰어나기 때문에 사용자에게 높게 평가되고 있다. 현재 공급하고 있는 투명 전극 재료는 액정 패널의 TFT 어레이(주 2) 시장에서 약 30%의 시장점유율을 차지하고 있다.
이데미츠가 투명 전극 재료의 용도 확대를 목표로 하는 태양전지는 재료에 의해서 실리콘계와 화합물계 두 가지로 분류된다. 그리고 실리콘계는 결정 실리콘계와 박막 실리콘계로 구분될 수 있고 현재 결정 실리콘계가 주류가 되고 있다. 그러나 실리콘이 고가인 것, 제조비용이 높기 때문에 박막 실리콘계나 화합물계의 개발이 진행되고 있다. 화합물계 중에서는 동·인디움·갈륨·셀렌의 박막 재료를 이용하는 CIGS 태양전지의 실용화가 시작되고 있다. CIGS 태양전지에는 현재 산화 아연계의 투명 전극 재료가 사용되고 있고 투명 전극은 CIGS층 위에 박막으로 형성된다. 태양전지 전용 투명 전극에는 주로 3개의 조건, 즉 발생한 전기를 낭비 없이 취출하기 위해서 저항값이 낮고 태양광을 보다 잘 통하기 위해서 투과율이 높아야 하며 태양전지는 옥외에서 장기간 사용되는 환경에 있기 때문에 고온 고습 환경에서도 내구성이 뛰어난 점 등이 요구된다.
특히 저항값이 낮고 투과율이 높아야 하는 조건은 태양전지의 변환 효율에 영향을 주기 때문에 이번에 태양전지에 적용되는 투명 전극 재료는 이러한 조건을 만족하는데 주목하여 CIGS 태양전지 전용으로 용도 확대해 판매하는 것을 결정하였다고 한다. 향후 이번에 공급되는 투명 전극 재료에 이어 보다 나은 변환 효율의 향상에 기여하는 고성능인 재료 개발을 진행시킬 것이라 한다. GTB