CIGSe 태양 전지를 위한 나노입자 연구
차세대 에너지 장치로서 태양 전지에 대한 연구는 오래 전부터 있어왔지만, 특히 최근 몇 년간 그 연구의 발전 속도가 급격하게 향상되고 있다. 저가의 효율적인 태양 전지는 재사용 가능하고 환경에 해가 없는 에너지원으로서 큰 관심을 받고 있다.
콜로이덜(colloidal) 방법은 이러한 저가의 태양 전지 연구에 다양한 방법으로 이용되고 있다. 양자역학적으로 다른 특성을 갖는 반도체 나노입자는 멀티엑시톤(multiexciton) 생산이 가능한 고효율 태양 전지를 위한 연구도 활발히 수행되고 있으며, 대량 생산이 가능한 저가의 나노입자도 태양 전지의 가격을 낮추기 위해 많은 연구가 되고 있다.
최근에는 광전자 소자들이 다양한 반도체 나노입자에 기반해서 연구되고 있는데, 그 대표적인 예로 CdTe, Cu2S, Pb(Sx,S1-x), CuInSe2 등이 있다. 이렇게 다양한 재료들 중에서도 CIGSe 타입의 재료가 가장 저가로 높은 효율을 얻을 수 있다고 기대되어 많은 관심을 받고 있다.
많은 연구팀이 CIGSe 타입의 재료를 진공이 아닌 조건에서 제조하기 위해 노력해오고 있다. 이는 제조단가를 확연히 낮출 수 있는 방법이기 때문이다. 그러나 이러한 경우 CIGSe의 광학적, 전기적 특성이 진공에서 제조한 것에 비하여 좋지 않은 경우가 많아서 아직까지 좋은 결과를 얻지 못하고 있다.
이에 대한 대안으로 CIGSe 나노입자를 원하는 조성비로 제조하고 이를 CIGSe의 광흡수층(absorber)으로 사용하는 방법이 연구되고 있다. 이에 대한 최신 연구가 6월 11일자 `Nano Letter`에 발표되어 이를 소개하고자 한다. Purdue University의 Rakesh Agrawal 연구팀에 의해 수행된 이번 연구는 “Sulfide nanocrystal inks for dense Cu(In1-xGax)(S1-ySey)2 absorber films and their photovoltaic performance”라는 제목으로 발표되었다.
연구팀은 이전에 CuInSe2 박막을 이용한 태양 전지를 위하여 CuInSe2 나노입자를 이용한 연구를 수행한 적이 있었다. 그러나 셀레나이드 전구체(selenice precursor)의 열처리 과정에서 부피가 팽창하는 것이 아니라 박막에 구멍이 생기는 현상이 나타나서 문제가 되었다고 한다. 이번 연구에서 연구팀은 Cu(In1-xGax)S2의 나노입자 박막을 소스 물질로 이용하여 이 화합물의 조성비를 유지할 수 있었다고 한다. S 대신 Se를 이용하여 부피 팽창을 유도하였고, 그 결과 원하지 않는 구멍(void)이 생기는 것을 훨씬 감소시킬 수 있었다고 한다. 또한 디바이스 특성도 훨씬 향상되는 것을 알 수 있었다고 한다. GTB

쇼와 쉘, 태양전지로 세계 시장 점유율 10% 목표
탈석유 의존에 대한 새로운 주축 육성
쇼와 쉘(Showa Shell)석유는 2009년 5월 26일, 2014년도까지 태양전지 생산량을 세계 시장 점유율 10%인 100만 킬로와트로 하는 목표를 포함시킨 중기 경영계획을 발표하였다. 2009년도 경상이익(석유 재고 평가액을 제외하다)에 대해서 태양전지 사업 500억 엔(약 6,500억 원)과 석유 사업 500억 엔 합계 1,000억 엔(약 1조 3,000억 원)으로 하는 목표도 내걸었다. 일본 국내의 석유 수요가 감소하고 있어 쇼와 쉘 석유가 태양광 발전에 기대를 하고 있다.
쇼와 쉘 석유가 2009~2014년도의 중기 경영계획으로 태양전지 사업에서의 강화를 발표한 것은 안정적인 성장을 담보하는 사업 분야로 보기 때문이라고 하여 향후 5년간 1,000억~1,600억 엔을 투자할 것이라고 한다.
쇼와 쉘 석유가 생산하는 것은 실리콘을 사용하지 않는 차세대형 CIS 태양전지로 동과 인디움, 셀렌 등이 원료로 실리콘과 같이 원료 부족의 영향을 받기 어렵다. 2006년도에 미야자키(Miyazaki) 현에 제1공장을 비롯하여 2009년 5월에는 제2공장을 가동하였다. 연생산 8만 킬로와트의 생산 태세를 확보하여 독일에 수출하기 시작하고 있다.
2009년 가을에는 보다 더 증강하여 제3공장의 규모는 50만 킬로와트 이상이라고 한다. 쇼와 쉘 석유 회장은 “CIS의 새로운 기술을 사용하므로 일본 국내에 우선 공급하고 싶다”고 언급하면서 히타치(Hitachi) 제작소의 자회사에서 박형 TV 부품을 제조하고 있는 `히타치 플라즈마 디스플레이(Hitachi Plasma Display)`를 매수하여 태양전지 패널의 생산 거점으로 전용하는 것을 검토하고 있다고 한다. 생산 능력을 연간 100만 킬로와트로 증강시켜 세계 시장에서 시장 점유율 10%를 목표로 한다.
쇼와 쉘 석유의 태양전지 사업은 현재 적자이지만 2012년도까지 흑자 전환을 도모하여 2014년도에 500억 엔(약 6,500억 원)의 경상이익을 목표로 한다.
일본 기업들의 태양전지 사업 참여가 잇따르고 있다. 일본 석유 제조 회사 중에서도 최대 기업인 ENEOS가 2009년 봄 산요(Sanyo)전기와 합작회사를 설립하여 2015년도에 박막형 태양전지로 100만 킬로와트의 생산체제를 목표로 하고 있다.
몇 년 후에는 세계 시장 점유율 10%인 기업이 일본 국내의 석유 제조 회사에서만 2개사 존재하게 되지만 수요 성장을 기대할 수 있어 생산 비용 삭감을 할 수 있으면 사업이 궤도에 오를 가능성은 높다. 
쇼와 쉘 석유 회장은 “쇼와 쉘 석유로서도 당사라고 해도 규모 확대가 타당할지는 자문자답하였다”고 2009년 5월 26일 회견에서 언급하였다. 태양전지 생산 비용은 1킬로와트당 260~270엔(약 3,380~3,510원)으로 세계적으로 비용이 가장 저렴한 미국 퍼스트 솔러(First Solar)는 94엔(약 1,220원) 정도)으로 3배 가까운 차이가 있지만, 쇼와 쉘 회장은 “비용 경쟁력이 생기면 글로벌 포지션을 취할 수 있다”고 말한다.
국제 에너지 기관은 태양열을 포함한 태양광 발전량은 2020년에 2006년의 10배, 2030년에는 30배 가까이 성장할 것으로 예측하고 있다. 일본 에너지 경제 연구소는 태양전지의 수요 성장이 가속될 것이라는 상황은 당분간 변함없이 태양전지의 불안정함이 가져오는 전력 계통에서의 문제점을 해결할 수 있으면 감속 요인은 적다고 전망하고 있다. GTB

산업용 태양광발전시스템의 도입 비용을 감소시킬 수 있는 태양전지 어레이용
구조물 개발
지상설치타입으로 약 30% 삭감! 태양전지 어레이용 구조물 구축시스템 개발
태양광 발전시스템의 구축비용은 태양전지만이 아닌 태양전지 이외의 주변기기와 구조물, 배선 등의 구축방법에도 크게 좌우된다. 또한, 태양광 발전시스템에는 지상 설치타입과 건물옥상 설치타입이 있으나, 산업용 시스템은 주택용과 다르기 때문에 비교적 규모가 크며, 설치장소에 따라 다면적 조건을 고려할 필요가 있기 때문에 태양전지 어레이용 구조 물부분에 시스템 구축 비용의 30% 정도가 소요된다. 이러한 점을 고려하여, 일본 NTT퍼실리티즈(NTT Facilities)는 지금까지의 실적, 경험을 살려 종합기술력으로 폭넓은 고객의 요구에 대응할 수 있도록 비용 최소화를 도모하고자 태양전지 어레이용 구조물 구축시스템 및 표준 구조물을 개발하였다.
태양전지 어레이용 구조물 구축시스템은 구조물 자체의 설계만이 아닌, 설치조건에 기초하여 지반과 건물의 강도, 옥상 방수 상황, 태양전지 설비의 최적배치, 시공방법, 유지관리 등을 포함한 다양한 검토를 수행하여, 종합적인 환경부하 저감을 고려한 건설비용 및 라이프사이클 비용의 최소화를 도모하기 위한 구조물을 제안하였다. 특히 이번에 산업용 시장에서 니즈(needs)가 높은 지상 설치타입, 건물 옥상 설치타입의 2종류의 표준구조물이 개발되었다.
메가솔라에도 대응 가능한 지상설치타입
지금까지의 기존 타입은 콘크리트 기초와 철골을 조합한 구성이었으나, NTT퍼실리티즈는 일본 신에너지산업기술종합기구(NEDO; New Energy Development Organization) 위탁연구사업 “대규모 전력공급용 태양광 발전계통 안정화 등 실증연구”를 수행하는 중에 태양전지 경사각을 자유롭게 조정하여 설치할 수 있으며, 어떠한 타입의 태양전지모듈에도 대응 가능한 경제적인 W타입의 구조물을 개발하여 왔다.
이번 개발에서는 더욱 비용 최소화를 실현하기 위하여 구축비용을 약 30% 삭감(당사 기존 구조물 대비)한 V타입의 구조물을 개발하였다. W타입의 노하우를 베이스로 기초에는 강풍에 대한 인발 저항력을 갖는 강철관을 채용하고, 토지의 조성을 최소한으로 하고 있다. 또한, 지주부분에 연직력과 수평력의 모두를 부담하는 V형 지주를 채용하고, 종래의 구조물에서 반드시 필요했던 기초상부의 수평재를 생략할 수 있었다. 두 타입 모두 건설 시 발생될 수 있는 여분의 토양과 철거 시에 발생될 수 있는 콘크리트 찌꺼기 등의 산업폐기물을 대부분 발생시키지 않으며, 환경에도 무해한 구조물이다.
이번에 개발한 구조물은 지상설치 V타입과 같이 연직력과 수평력 모두를 부담하는 V형 지주에 의해 종래 타입에 비하여 구성 자재수와 접합부분을 대폭 저감시킨 심플한 구성의 구조물이다. 접합부 등에 필요한 강도를 확보하면서 강재량을 30% 삭감(당사 종래 구조물 대비)시켜 구축비용을 약 20% 삭감(당사 종래 구조물 대비)함과 동시에 태양전지 뒷면에 오픈된 작업공간을 확보하여 태양전지모듈 설치와 배선공사 등을 보다 간단하게 실시할 수 있도록 배려하였다.
또한, 방수와 관련해서 건물과 일체시킨 콘크리트 기초가 준비되지 않을 경우에도 대응할 수 있도록 소형 프리캐스트 콘크리트(Precast Concrete) 기초를 채용하는 구조물도 개발하였다. 소형 프리캐스트 콘크리트 기초에는 고정을 위해 볼트 위치를 자유롭게 설정할 수 있는 레일을 설치하여, 여러 가지 사이즈의 태양전지 모듈에 대응하기 위한 범용성을 높였다. GTB

스페인, 태양에너지 인센티브 부국에서 탈피
스페인은 2008년 어느 나라보다 태양에너지 프로젝트 활성화를 위해 많은 인센티브를 제공했다. 그러나 2009년에는 스페인이 2008년과 같이 태양에너지에 우호적인 정책을 펼친다고 볼 수 없는 상황이다. 스페인 정부는 2009년에 자국의 인센티브 프로그램을 크게 축소하기로 결정했다.
스페인은 FIT(feed-in tariff: 발전차액지원제도) 규모를 갖고 본다면 세계에서 1위의 태양에너지 시장이다. 그러나 현재는 10위 또는 15위 수준에 머물고 있다고 대표적인 태양에너지기업 SunPower의 CEO인 Tom Werner가 한 콘퍼런스에서 발표하였다. 그는 과거에는 스페인의 태양에너지 산업에 골드러시가 있었지만 현재는 대부분의 태양에너지 설치업체가 사라졌다고 주장했다.
참고로 발전차액제도는 재생 가능한 에너지원으로 생산한 전력과 전통 에너지원으로 생산한 전력의 생산단가 차액을 정부가 보상해주는 제도로서, 전력사업자는 정부가 정한 요금기준에 따라 장기계약으로 태양에너지 전기를 구매해야 한다. 이러한 정책은 독일을 세계에서 태양에너지 1위 생산국으로 성장시키는데 핵심 역할을 했다.
스페인은 매우 큰 규모로 FIT제도를 시행해왔다. 스페인은 2007년부터 2010년까지 400MW의 태양에너지를 보급하겠다는 목표 하에 그 제도를 시행해왔다. 그런데 2007년 가을에 이미 태양에너지원 발전규모가 344MW에 달했다. 이에 스페인 정부는 FIT 상한 기준을 올리거나 태양에너지 전력요금을 조정하는 선택을 해야 했다. 그리고 스페인 정부는 2009년 내 FIT 상한 기준을 500MW로 올리기로 결정하였다.
얼핏 들으면 스페인이 태양에너지 발전을 위해 지속적으로 지원책을 강화하고 있는 것처럼 보인다. 그러나 스페인의 프로젝트 개발자들은 2008년에 이미 몇 GW 이상의 시스템을 설치하였다. 즉, 정부의 기대보다 훨씬 기업들이 적극적으로 뛰어든 것이다. 정부의 지원을 기대하고 투자를 확대했던 기업들의 예상과 달리, 정부의 지원이 사실상 축소되자, 태양에너지 전력 요금은 24~29% 낮춰졌다.
SunPower사는 2008년 스페인에서 주로 활동하면서 태양광 패널을 제조하고, 프로젝트 엔지니어링 및 건설을 추진해왔다. 그러나 이제 더 이상 아니다. 2008년 Sun
Power사의 수입의 52%가 스페인에서 발생했지만, 2009년 1분기에는 고작 4%에 불과하다.
국의 주와 도시들은 유럽의 태양 설비 시장과 재생에너지 생산 활성화를 위한 전략을 지켜보면서 자신들도 FIT를 도입할 것인지에 대해 깊이 검토해왔다. 2009년 초에는 플로리다 주의 Gainesville시가 FIT제를 도입했다. Gainesville시의 프로그램은 독일의 제도를 모델로 삼았다. 독일의 모델은 연간 상한선이 없고, 연간 시장 크기를 크게 변화시킬만한 요인을 제공하지 않는다.
그러나 한편으로는 FIT제도가 인위적인 시장을 만든다는 비판의 목소리가 있다. 그리고 재생에너지 시장의 장기적 성장을 저해한다는 주장도 있다. FIT는 또한 전력사업자가 재생에너지 구매비용을 소비자에게 전가시킴으로써 소비자의 전기요금이 인상될 가능성도 확대한다. 이에 연방의 입법가들은 주정부만큼 FIT제도에 적극적이지 않다. BrightSource Energy의 CEO인 Woolard는 좋은 FIT 프로그램을 가동하는 것은 어려운 일이고, 자칫 태양에너지산업을 망칠 수 있다고 경고한다.
그리고 태양에너지 기업들은 정부의 지원에 상관없이 자체적으로 강한 기업을 만들어가야 한다고 강조한다. GTB
레이저 덕분에 경쟁력을 갖춘 태양전지
레이저로 silicon wafer 안의 수천 개의 구멍들을 빨리 태우는 기술이 개발되면서 태양 전지가 가격경쟁력을 갖출 수 있게 되었다.
태양 전기는 유망하다. 재생가능하고 무한정 쓸 수 있으며 기후에 악영향을 끼치는 기체를 생성하지 않는다. 현재로서 유일한 단점은 가격뿐이다. 현재 태양전지로 유럽 북부에서 생산되는 전력이 현재의 전력발전소와 경쟁하기 위해서는 생산단가가 더 낮아져야만 한다. 6월 15일부터 18일에 걸쳐 Munich에서 개최될 “Laser 2009” 전시회에서 Fraunhofer 연구진들은 어떻게 레이저 기술이 태양전지의 생산가격과 효율을 최적화할 수 있을지 증명해 보일 예정이다.
만약 세계 에너지 의회(World Energy Council)에서의 가장 최근의 예상이 현실화된다면 전 지구적 전기 요구량은 앞으로 40년 내에 두 배가 될 것이다. 동시에 줄어들어만 가는 석유 또는 천연가스에 의한 전기 발전 가격은 오를 것이다.
신생산 기술이 새로운 설계를 가능케 한다.
Munich에서의 “Laser 2009” 전시회에서 연구진들은 어떻게 레이저가 실리콘 단자(cell) 에 구멍을 엄청 빠른 속도로 뚫을 수 있는지 증명해 보일 예정이다. 이 레이저 시스템은 1초 안에 3000개 이상의 구멍을 뚫을 수 있다. 레이저 전력원(source)을 이렇게 빨리 옮기는 것이 불가능하기 때문에 전문가들은 최적화된 생산시스템을 개발했다. 필요한 위치로 광선을 이동하고 집중시킬 수 있는 시스템 말이다.
“우리는 현재 다양한 레이저 전력원들과 광학 시스템을 가지고 실험하고 있다. 우리의 목표는 1초에 만 개의 구멍을 뚫는 것이다. 생산기계가 한 cycle을 돌 때 wafer에 만 개에서 2만 개의 구멍을 뚫어야 하기 때문”이라고 Gillner는 설명했다.
Wafer 안의 작은 구멍들은 태양전지 개발자들이 전에는 생각할 수 조차 없었던 가능성을 열었다. “기존에는 전기적 접촉부위를 전지의 상층부에서 정렬했다. 하지만 이 구멍들이 이들 접촉 부위들을 뒤쪽으로도 옮길 수 있게 했다. 우리의 목표는 공업적으로 생산되는 방출 전지(emitter wrap-through cell)에서 20%의 효율성 향상을 얻는 것이다. 고전적인 실리콘 전지보다 3분의 1이 더 많은 것”이라고 Gillner는 말했다.
레이저 기술로 더 효율적인 얇은 필름 전지를 만들 수 있다. 
레이저 기술은 또한 얇은 필름 태양전지의 생산을 최적화시킨다. 반도체 산화물, 비정형 실리콘 그리고 유리판 위의 쌓이는 금속들로 이뤄지는 이러한 아주 얇은 필름 패키지는 시장점유율이 현재 10%에 불과하다. 하지만 Gillner 연구원은 얇은 필름 태양전지가 비투명 유리 판이 오를 수 있는 어느 곳에서든지 쓰일 수 있기 때문에 이 점유율이 높아질 것이라고 기대하고 있다. GTB

투명 태양전지 재료 선별을 위한 물리모델
만약 태양전지(solar cells)가 투명하다면 창문이나 건물의 벽면에 설치할 수 있을 것이다. 물리적 모델링은 투명한 전자제품을 위한 적합한 물질 개발에 도움을 줄 것이며, 투명한 태양전지를 위한 기초자료를 제공해 주게 될 것이다.
인근의 정원이나 경관을 볼 수 있도록 해 줄 뿐만 아니라 전기도 생산할 수 있는 특징을 갖게 된다. 집의 벽면은 거주자에게 전기를 제공하기 위해 태양에너지를 활용할 수 있다. 이는 미래의 가정용 전력공급 방법이 될 것이다. 에너지를 생산하기 위한 표면적은 투명 태양 전지를 활용해 크게 높아지게 된다.
투명한 태양 전지의 가시성을 확보하고 투명한 전자제품의 생산을 실현시키려면, 두 가지 서로 다른 투명 코팅이 요구된다. 하나는 전자를 통해 전기를 생산하는 역할을 하는 N형 전도체이고, 다른 하나는 전기가 흐를 수 있도록 전자 구멍(electron hole)을 갖는 P형 전도체이다. 이런 코팅제를 개발하기 위해, 공학자들은 기본 물질에 몇 가지 다른 원자를 첨가한다.
어떤 원자를 사용하느냐에 따라, 서로 다른 전도성 코팅(conducting coating)재가 만들어진다. N형 투명 전도성 물질에 비해 P형의 경우에는 문제가 있다. P형 물질의 경우 전도도가 매우 낮고 투명도도 좋지 못하다. 따라서 제조업자들은 n-doping과 p-doping에 모두 사용 가능한 투명한 기본 물질을 필요로 하게 된다.
현재 산화인듐주석(indium tin oxide)이 N형 전도체에 주로 사용되고 있으나 값이 비싸다. 인듐은 희소한 물질이며 2002년 이래 가격은 열 배로 증가하였다. 때문에 적절한 물질을 찾기 위해 많은 노력이 이루어지고 있다. 동시에 어떤 물질이 가장 적합한지, 전도성을 높이기 위해 어떤 물질을 첨가해야 하는지, 어떻게 투명도를 확보하는지에 대한 문제도 해결해야 한다. Fraunhofer 연구소 IWM(Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials)은 이런 연구를 도와줄 수 있는 재료물리 모델(material physics models)과 기법을 개발하였다.
만약 적절한 전도성을 갖는 투명 P형 전도체가 생산될 수 있다면, 완전히 투명한 전자제품의 생산을 실현하는 것이 가능할 것이라고 IWM에 연구하고 있는 과학자인 Wolfgang Korner 박사는 밝혔다. 전자현미경 영상을 이용해, 연구팀은 우선 재료에서 가장 흔히 발생하는, 예를 들어 잘 정돈된 결정구조의 비정규성을 나타내는 입계(grain boundary)를 결정한다. 이런 결함 구조는 원자 단위로 설계될 수 있다. 특수한 시뮬레이션 기법으로 이런 구조에서 전자가 어떻게 분배되는지 계산할 수 있다. 이런 자료를 통해, 연구팀은 물질의 전도도와 투명도가 어떻게 될지 예측할 수 있게 된다. 예를 들어 인은 p-doping용 산화아연(zinc oxide)에 적합하지만, 질소가 갖는 가능성은 더 크다고 Korner는 밝힌다. GTB