두께 1/100에서도 고효율
産總硏, 古河電 실리콘 박막형 새 제법
産業技術總合硏究所는 古河電氣工業과 공동으로 저가가 특징인 실리콘 박막형 태양전지의 새로운 제조법을 개발했다. 아모르파스 실리콘 박막을 결정립이 큰 다결정 실리콘 박막으로 변환하고 그것을 토대로 전지를 만든다. 두께가 통상의 다결정 실리콘 태양전지의 100분의 1이 되어도 같은 정도의 광전(光電)변환효율을 얻을 수 있게 될 것으로 기대된다. 원료사용량의 대폭 삭감으로도 이어진다.
産總硏ㆍ태양광발전연구센터의 近藤道雄 센터장 등이 개발했다.
실리콘 박막형 태양전지는 얇은 만큼 실리콘 원료를 절약할 수 있는 한편, 광전변환효율의 향상이 과제였다.
제법은 우선 유리 기판에 두께 0.1마이크로미터의 아모르파스(비정질) 실리콘막, 동 0.01마이크로미터의 알루미늄 막의 순서로 붙인다. 표면의 알루미늄 막을 산화시키고, 그 위에 진공 속에서 동 0.1마이크로미터의 알루미늄 막을 얹는다. 가열하자 산화알루미늄막의 틈새를 매개로 상하의 실리콘과 알루미늄이 녹아서 교체되었다. 아모르파스 막은 평평한 판 모양으로 된 결정으로 된 다결정 박막이 되었다.
이 박막은 크기가 수십 마이크로미터의 커다란 실리콘 결정 입자의 박막으로, 이것을 「시드(씨)층」으로 하여 만든다.
연구팀은 두께 2마이크로미터의 박막형 태양전지를 시작했다. 실리콘 아래에서 유리 기판 위에 생긴 알루미늄 박막은 전극으로 이용했다.
광전변환효율은 지금 현재 3.5%로 낮지만 시드층의 결정립을 더욱 크게 만들게 되면 광전변환효율을 향상할 수 있을 전망. 시리콘 덩어리(인고트)에서 떼어낸 다결정 기판을 사용하는 태양전지(두께 200마이크로미터)급의 12%까지 높일 수 있으리라 보고 있다. 일경산업

Stirling engine을 이용한
태양열 발전 시스템 - Suncatcher
Suncatcher System이라고 이름 붙여진 태양열 발전 시스템에 사용될 새로운 디자인의 태양열 집열판이 Sandia 국립연구소의 태양열발전 실험센터에서 공개되었다. 이번에 공개된 태양열 집열판은 Suncatcher 시스템의 차세대 모델이다. 연구에 참여한 엔지니어에 따르면 새롭게 디자인된 태양열 집열판은 비교적 큰 규모의 태양열 발전을 위해 설계되었으며 이전 모델에 비해 유지관리가 용이할 것이라고 한다. 새로운 태양열 집열판을 이용한 Suncatcher system은 2010년경 상업적 용도로 사용될 수 있을 것으로 보인다. Suncatcher system은 태양열 에너지를 이용해 Stirling Engine을 돌리는 방식으로 전력을 생산해 내는 발전 시스템으로 태양열을 모으기 위한 오목한 그릇모양의 거울과 거울로부터 반사된 태양광이 모이는 집열관으로 구성되어 있다. 집열관 내부에는 수소가 채워져 있는데 태양열에 의해 집열관 내부의 수소가 데워졌다 식혀졌다를 반복한다. 이와 동시에 수소의 수축과 팽창도 일어나는데 이러한 수축과 팽창이 Stirling Engine을 작동시켜 전력을 생산해 내게 된다. 새롭게 공개된 태양열 집열판은 이전의 Suncatcher System에서 사용하던 것보다 개선된 성능을 보여준다. “Suncatcher System은 6번에 걸쳐 개량되어 왔습니다. 처음으로 개발된 Suncatcher System은 현재 하루 150KW의 전력을 인근지역에 공급하고 있습니다.” Sandia Project의 리더를 맡고 있는 Chunk Andraka는 이야기 했다. “새로운 Suncatcher system을 구성하는 모든 부품은 높은 발전효율과 낮은 발전단가를 위해 개선되었습니다.” 새로운 Suncatcher System은 초기 모델에 비해 5,000파운드 이상 가벼울 뿐 아니라 원통형의 거울대신 원형의 거울을 사용해 System에 사용되는 철강의 사용량을 줄였으며 거울로 대표되는 광학부를 개선하여 집열 효율을 높이고 Stirling 엔진의 부품수를 60%가량 줄였다. 집열을 위해 사용되는 거울의 숫자도 80개에서 40개로 줄였는데 이는 자동차용 강판의 제작에 사용되는 Stamped Sheet 방식을 사용하여 가능했다고 한다. Sandia 국립연구소와 Suncatcher System개발의 파트너인 Stirling Energy Systems에 따르면 이러한 개선을 통해 상당한 효율증가와 발전단가 절감을 이뤄 낼 수 있었다고 한다. “최신의 Suncatcher System은 태양열 발전의 상용화를 10년이상 앞당겼다고 생각합니다. 이는 조만간 Suncatcher System의 상용화가 가능하다는 것을 의미하죠.” Stirling System의 CEO인 Steve Sowman은 이야기했다. “자동화 시스템을 이용한 Suncatcher system을 통해 Suncatcher System의 발전단가를 더욱 낮출 수 있을 뿐 아니라 산업발전에도 이바지 할 수 있을 것이라 생각합니다. Suncatcher System에서 사용되는 부품의 90%가 미국에서 생산되고 있습니다.” 새로운 Suncatcher System은 발전단가와 발전에 사용되는 토지의 면적을 최소화 할 수 있을 뿐 아니라 다양한 환경친화적 요소를 갖추고 있다고 Andraka는 강조했다. “Suncat
cher System은 다른 어떤 태양열 발전 시스템 보다 적은 물을 사용하며 System의 설치를 위해 땅을 파야하는 일도 없습니다. 물론 전력을 만들어내는 과정에서의 온실 가스방출은 전혀 없습니다.” ACB

일본, ‘고신뢰성 태양전지 모듈 개발·평가 컨소시엄’ 설립
신뢰성이 높은 태양전지 모듈의 실현을 위하여 일본 산업기술 종합연구소와 민간기업 31개사가 참가 / 태양전지 모듈의 시작, 연구 개발 촉진, 인재육성 / 공동으로, 신규 부재·신규 구조를 적용한 태양전지 모듈을 제작하여 부재·구조의 유용성 검증 / 태양전지 모듈의 장기 옥외 폭로시험과 가속 열화 시험의 결과를 비교 검토 -
일본 독립 행정법인 산업기술 종합 연구소(이하, `산업기술 종합연구소`) 태양광 발전 연구 센터는 민간기업 31개사와 공동으로 `고신뢰성 태양전지 모듈 개발·평가 컨소시엄`을 2009년 10월 발족시켰다. 태양광 발전 기술 연구 조합이 제휴 기관으로서 참가하여 의견교환을 진행시킴과 동시에 9개 단체가 협력 기관으로서 참가한다. 기간은 2009년 10월 1일부터 2011년 3월 31일까지라고 한다.
태양광 발전의 조기의 그리드 패리티(grid parity) 실현에는 태양전지 모듈의 신뢰성 향상과 장기 수명화에 의한 비용 저감이 필수적이다. 본 컨소시엄에서는 산업기술 종합연구소가 화학 메이커, 부재 메이커를 중심으로 하는 민간기업 31개사와 공동으로 태양전지 모듈의 신뢰성·수명의 지배적 요인이 되는 모듈 주변 부재에 대해 검토하여 신규 모듈 부재·모듈 구조의 유용성을 검증한다.
츠쿠바(Tsukuba) 센터에 있는 작은 사이즈 모듈의 시범 제작·평가 설비 등을 이용하여 컨소시엄에 참가한 민간기업과 산업기술 종합연구소가 집중적으로 검증 연구를 실시할 수 있는 환경을 정돈함과 동시에 계통적인 연구에 의한 데이터베이스의 구축을 도모한다. 또한 장기 옥외 폭로시험과 가속열화시험의 결과를 비교 검토함으로써 옥외 폭로에 의해 발현되는 고장 요인을 명확화 한다. 그리고 이러한 공동 연구 활동을 통한 인적 네트워크의 구축에 의해 산업계의 인재 육성에 이바지한다. 대상으로 하는 태양전지 종류는 주로 결정 실리콘계 태양전지, 박막 실리콘계 태양전지, 화합물 박막계 태양전지이다.
태양광 발전의 비용 저감에는 발전 효율의 향상, 제조비용 삭감과 함께 태양전지 모듈의 신뢰성 향상·장기 수명화가 불가피하다. 태양전지 모듈의 신뢰성이나 수명은 모듈에 사용되는 충전재, 백 시트, 시일 재료, 배선재 등의 주변 부재에 많이 의존하기 때문에 이러한 부재를 제조하는 메이커에서는 신규 제품의 개발을 가속화하고 있다.
태양전지 모듈 주변 부재를 제조하는 화학 메이커, 부재 메이커에서는 신규로 개발한 부재를 이용한 태양전지 모듈 성능을 평가하기 위하여 신규 부재의 유용성을 검증하는 체제 정비가 중요하다고 한다. 이러한 화학 메이커, 부재 메이커의 요구에 대응하는 형태로 산업기술 종합연구소 태양광 발전 연구 센터는 산업기술 종합연구소와 여러 민간 기업이 공동으로 태양전지 모듈의 신뢰성 향상·장기 수명화에 이바지하는 컨소시엄형 공동 연구를 실시하기 위해 2009년 2월에 2회의 공개 설명회를 열어 여러 민간기업과 컨소시엄 설립을 위하여 조정을 진행시켜 이번 발족에 이른 것이다. GTB

태양전지에서 신기술
색소증감형의 발전효율 향상
東工大 침상 전극으로 10% 
東京工業大學의 松本英俊 특임준교수 등은 색소증감형 태양전지의 발전효율을 높이는 새로운 기술을 개발했다. 지금까지는 태양광을 전기로 변환하는 색소를 미립자로 발라서 전극 표면에 늘어놓았으나 신기술은 표면을 침상으로 만든 전극에 색소를 발라서 전기가 잘 통하도록 하여 효율을 높였다. 10% 이상이나 된다고 한다. 태양전지 메이커 등과 협력하여 실용화할 계획이다.
개발한 전극은 직경 0.1마이크로 - 1마이크로미터의 탄소섬유 표면에 침상의 산화아연 섬유가 늘어선 구조. 탄소섬유에 산화아연 분말을 붙여서 섭씨 1000도로 가열, 탄소섬유 표면에 두께 50나노미터, 길이 수백 마이크로미터라는 극히 작은 침상의 산화아연 섬유를 만든다.
산화아연 표면에 색소를 발라서 태양전지를 시작. 태양광을 쏘인 결과 전기를 얻을 수 있었다. 종래는 전극에 산화인듐주석(ITO)를 사용하고, 그 위에 색소를 바른 산화티탄의 나노입자를 촘촘히 깔았었다. 색소에서 발생한 전자의 움직임이 입자끼리의 사이에서 둔해지기 때문에 발전효율이 떨어지는 문제가 있었다. 새로운 전극은 색소에서 발생한 전자가 산화아연에서 탄소섬유에 직접 흐르기 때문에 발전효율이 높아진다.
시작한 태양전지의 변환효율은 약 1%로 종래보다 1자릿수 낮지만, 탄소섬유 등의 구조를 연구하면 「발전효율은 10%를 넘을 가능성이 있다」(松本 특임준교수)고 보고 있다.
  색소증감형 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 제조원가를 싸게 할 수 있다. 단 발전효율은 7-8% 정도로 실리콘계 태양전지에 비해 떨어져 효율의 향상이 실용화의 과제가 되어 왔다. 일경산업

태양광 에너지의 성능 향상을 제공하는 새로운 나노구조 기술 
미국 오레곤 주립대학(Oregon State University)의 화학공학자들은 초기 저렴하고 좋은 성능의 안경 코팅을 위해 사용하기 위한 기술개발을 바탕으로 다양한 표면에 나노구조 필름을 증착시킬 수 있는 새로운 기술을 개발하였다. 궁극적으로 이 기술은 태양전기가 더욱 효율적으로 에너지를 생산할 수 있는 길을 제공할 수 있다.
이 나노구조의 필름은 빛의 반사를 감소시키고, 안경 적용 시 더 많은 빛을 포집하며, 눈부심을 감소시키며 자외선에 대한 노출을 저감시킨다. 이러한 특징을 갖는 코팅은 일부 이미 이용가능한 상황이다. 그러나, 새로운 기술은 낮은 가격으로 더 높은 성능을 발휘하며 현장 적용도 가능하다.
오레곤 주립대학 화학생명 및 환경공학과의 부교수인 Chih-hung Chang 교수에 따르면, 이 기술은 궁극적으로 모든 분야에 적용가능하며, 어떠한 태양 에너지 시스템에라도 적용시켜 더욱 효율적으로 하게 할 수 있고, 궁극적으로 카메라 또는 모든 종류의 렌즈에도 적용할 수 있다고 주장하였다. 현재 이 기술에 대한 특허가 출원 중이며, 첫 상업화 제품은 1년안에 출시될 것이라고 Chang 교수는 밝혔다.
이 기술을 위한 공정의 주요 특징은 마이크로 반응기에 의해 제어되는 화학조(chemical bath)를 이용하는 것으로, 이 안에 유리, 플라스틱, 실리콘 및 알루미늄과 같은 다양한 기재 위에 박막을 증착시키는 것이다. 이러한 경우에, 이 기술은 작은 공간안에 수백만 개의 미세한 피라미드와 유사한 일종의 나노구조를 형성시키는 데, 이러한 미세 구조는 물질에 와 닿는 빛의 반사를 저감시키는 기능을 부여하는 것이다.
과학자들은 현재 이 박막 필름을 안경제조에 일반적으로 사용되는 플라스틱인 폴리 카보네이트(polycarbonate)에 적용하는 연구를 하고 있고, 향후에 이 필름을 사무실 유리면에 저렴하게 적용하는 연구를 할 예정이라고 한다. 연구원들에 따르면 최종 제품은 저가의 가격으로 빠르게 적용될 수 있으며, 적용에 있어 적은 폐기물을 발생하면서도 기존의 기술 대비 더 높은 성능을 발휘하게 될 것이라고 밝혔다. GTB

도로를 따라 건설될 태양광 발전소
Oregon 주는 도로를 따라 펼쳐진 공간을 신재생에너지 생산을 위한 장소로 사용하기 위한 방법을 찾는 여러 주들 중 하나이다. New York Times의 최근 기사에 따르면 Oregon주는 도로 옆에 위치한 공간을 이용 104KW의 전력을 생산할 수 있는 태양광 발전 시스템을 건설하는 프로젝트를 진행하고 있다고 한다.
프로젝트가 성공적으로 완료될 경우 Oregon주와 인접지역을 잊는 고속도로 인터체인지 조명에 소비되는 전력의 1/3을 프로젝트를 통해 건설된 태양광 발전 시스템이 담당하게 될 것이다. Massachusetts주는 고속도로 톨게이트 부근의 빈 공간에 풍력발전 시스템을 설치할 계획이라고 한다. 그 밖의 다른 주들도 버려진 공간을 이용한 청정에너지 생산을 꾀하고 있다. 도로 주변공간을 태양광 발전을 위해 사용하고자 하는 또 다른 프로젝트가 있다. Green Roadway로 이름 붙여진 이 프로젝트는 미국 전역을 가로지르는 고속도로를 대상으로 진행 될 예정이다. 미국 전역에서 수행되고 있는 다양한 태양광발전 시스템 관련 프로젝트는 태양광 발전을 통해 생산된 전력 및 관련 설비가격을 낮춰 가정 및 산업용 태양광 발전 시스템의 보급을 앞당겨줄 것으로 예상된다. 일경산업

태양전지용 본격 참여
코바렌트
실리콘용 도가니 외판
코바렌트 매터리얼은 올해부터 태양전지용 사업을 본격적으로 전개하기 시작했다. 태양전지의 기판이 되는 결정 실리콘의 주조에 사용하는 도가니의 외판에 착수. 원료인 잉곳(실리콘 덩어리) 제조에도 나설 계획이다. 세계적인 디지털 불황으로 반도체용 소재 판매가 둔화되어 기술전용(技術轉用)이 가능한 태양전지용으로 사업을 확장한다. 2010년도에 이 분야에서 200백억 엔 이상의 매상을 목표로 한다.
작년 「태양전지사업추진실」을 설립, 본격 참여 체재를 갖추었다. 이 회사는 반도체의 기판이 되는 실리콘웨이퍼, 탄화규소, 석영 등이 원료인 세라믹 소재가 주력 사업. 태양전지사업을 세 개의 핵심사업으로 키워나갈 방침으로 반도체 관련 기술의 전용을 추진한다.
구체적으로는 다결정 실리콘을 주조하는 실리카제 도가니의 외판을 본격적으로 시작했다. 지금까지는 일부 고객에 한정하여 판매했는데, 국내외 태양전지 메이커와 판로를 확대한 것이다.
도가니는 1미터 사방의 사이즈로 10여만 엔 정도. 태양전지 셀의 기판인 다결정 실리콘은 한 번 만들 때마다 도가니를 부술 필요가 있다. 태양전지의 세계적인 생산증가에 따라 도가니는 만성적으로 품귀상태에 있어 사업성이 전망된다고 판단했다.
소자가 규칙적으로 늘어서 있는 고급 타입의 단결정실리콘의 경우도 잉곳의 가공단계에서 사용하는 공(球)모양 도가니를 개발. 고성능 태양전지의 제조용으로서 확대판매하고 있다. 또 반도체용에서 실적이 있는 잉곳의 제조에도 나설 방침이다.
도가니는 중국이나 한국 등에서 특히 거래가 많으리라 보고 있어 재작년 10월 상하이시에 설립한 판매 자회사 등을 통해서 영업을 하고 있다. 다결정 실리콘용 도가니는 실리카제 공모양 도가니의 각각 2012년에 30% 이상의 세계 시장점유율을 확보할 것을 목표로 하고 있다. GTB

염료감응형 광섬유 태양전지 개발
염료감응형 태양전지 (Dye-sensitized solar cells)는 저렴하게 만들 수 있고 유연하기도 하지만, 효과적으로 빛을 전기로 전환시키지 못하는 문제점이 있다. 효율을 올릴 수 있는 방법 중 하나는 입사광을 받아들일 수 있는 표면적을 늘리는 것이다. 조지아 공과대학 (Georgia Tech) 연구팀은 광섬유 주위로 염료감응형 태양전지를 둘러쌈으로써 훨씬 효과적인 태양전지를 만드는데 성공했다. 이 태양전지는 같은 표면적의 산화 아연 (zinc oxide) 태양전지에 비해 6배의 효율을 가지고 있으며 저렴한 고분자 섬유를 이용해 만든다면 그다지 비싸지도 않을 것으로 예상된다. 연구결과는 Angewandte Chemie International Edition의 온라인 판에 발표되었다.
광섬유 태양전지의 장점은 빛이 광섬유 내부에서 계속 반사되기 때문에 평면형 태양전지에 비해 에너지를 전달할 기회가 더 많다는 점이다. 이번 연구에는 참여하지 않는 미시간 주립 대학교 (University of Michigan) 재료 공학과의 Max Shtein도 같은 장점을 지적하고 있다. 연구를 진행한 조지아 공과대학 재료공학 교수인 Zhong Lin Wang은 광섬유 태양전지는 이제까지의 태양전지와는 다른 방법으로 사용하는 것도 가능하다고 설명했다. 즉 기다란 광섬유를 전기선처럼 건물 벽을 따라 설치할 수 있기 때문에 평면형 태양전지에 비해 지붕 면적을 더 적게 차지하게 만들 수 있다는 것이다.
염료감응형 태양전지는 염료를 사용해 빛을 흡수해서 전자를 발생시킨다. 조지아 연구팀은 먼저 광섬유의 외피를 제거한 후 표면에 산화아연 나노선 (nanowires)을 성장시켰다. 다음, 광섬유를 염료로 처리하면 산화아연 구조물이 이를 흡수하게 된다. 산화아연 나노선에 염료를 코팅하면 광섬유에 직접 코팅하는 것에 비해 훨씬 높은 표면적을 가지게 된다. 염료로 코팅된 광섬유는 전자를 전달하기 위한 전해질과 금속 박막으로 둘러싸이게 된다. 스탠포드 대학교 (Stanford University) 재료공학과의 Yi Cui 교수는 적은 양의 소재로도 모든 빛을 흡수하도록 하는 것이 관건이라고 지적하면서, 조지아 공대 연구팀의 접근 방법은 염료의 표면적을 넓히는 동시에 빛의 이동경로를 길게 해주어 이를 가능하게 만들었다고 평가했다. 태양전지 내부에서 광자의 이동 경로가 길수록 광자가 전자를 만들어낼 가능성이 높아지는 것이다.
광섬유 태양전지의 한 가지 문제점은 광섬유 내부로 빛을 집어넣은 것이다. 광섬유 끝에서만 빛을 받는 것이 가능하기 때문인데, 따라서 태양 추적 장치 (sun-tracking system)를 사용하지 않고도 충분한 빛을 받아들이기 위해서는 가는 섬유를 다발로 사용하는 방법이 가능하다.
Cui교수는 광섬유 말단을 빛을 광섬유 내부로 전달하기 쉬운 소재로 만드는 것도 가능할 것이라고 제안한다. 이 문제를 해결하는 또 다른 방법은 미시간 주립대학의 Shtein이 연구하고 있는 것으로서 말단에서만 빛을 흡수하지 않고 전체 면적에서 빛을 흡수하는 광섬유 태양전지를 만드는 것이다. 사실 이것은 쉽지 않은데, 광섬유의 코팅이 전기 전도성을 가질 뿐만 아니라 투명하기도 해야 하기 때문이다.
하지만 Shtein은 이 형식을 가진 태양전지가 개발되기만 하면 유용하게 사용될 수 있을 것이라는 점을 지적한다. 즉 공간적으로 적당히 배열하면 평면형 태양전지에 비해 훨씬 많은 양의 광자를 잡을 수 있다는 것이다. 평면형 태양전지에서는 빛의 입사각이 작을수록 더 많은 빛이 반사되어 나간다. 그러나, 광섬유의 곡면에서 반사된 빛은 주위의 다른 섬유로 가도록 설계할 수 있기 때문에, 태양 추적 장치를 사용하지 않아도 되고, 빛이 퍼져나가는 흐린 날에도 사용 가능하다는 것이다.
Wang은 현재까지 석영 (quartz) 광섬유를 이용한 태양전지만이 테스트 되었다며, 연구의 다음 단계는 다른 소재를 이용한 태양전지를 만들어 보는 것이라고 밝혔다. 그 다음 단계는 저렴한 고분자 섬유를 사용한 태양전지가 될 것이다. GTB