습식으로 유화주석 막
태양전지용 유해물질 대체
東京理科大學 공학부의 安藤靜敏 준교수의 연구실은 태양전지재료에 적합한 유화주석(SnS)의 습식에서의 박막생성에 성공했다. 대규모 증착장치가 필요치 않아 제조원가를 진공식의 20분의 1 이하로 낮출 수 있다. 실리콘을 사용하지 않는 CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀렌)계 박막 태양전지 가운데에서 유해한 물질의 대체재료가 될 수 있을 것이다. 새로운 재료를 사용한 보다 효율적인 태양전지 개발로 이어질 가능성이 있다.
온도를 올리면서 용액 내에서 생성하는 화학용액퇴적(CBD)법을 SnS박막생성에 응용했다. 비교적 저온에서 성막할 수 있고 취급이 간단한 이외에 대면적화가 용이. CIGS계 버퍼층의 생성공정에서 사용하고 있는데 제조 공정을 그대로 이용할 수 있다는 이점도 있다. 또 원소독성이 약하여 환경에도 부담을 주지 않는다. 주석과 유황은 자연계에 많이 존재하여 CIGS계에 비해 원료비도 싸다.
  CIGS계는 탈실리콘의 차세대 채양전지로 기대되는데, 제조원가의 저감이 보급의 과제. 또 유독한 카드뮴의 막층이 있어 환경면에서도 문제가 있다. 실험에서는 비커 등 간단한 용기를 사용하여 용액을 최고 80℃로 달구면서 60분에 걸쳐 사방 2센티미터의 유리로 성막했다. 「대형화는 비교적 용이」(安藤 준교수)하다고 한다. 박막의 조선을 분석한 결과, 주석과 유황의 원자조성이 균등하게 구성되어 있다는 것을 알았다.
현재로는 성막 스피드가 1시간에 400나노미터의 두께. 태양전지로 사용하려면 1마이크로-1.5마이크로미터의 두께가 필요하다. 단시간에 두꺼운 막이 생성될 수 있도록「두 번 담구는 등 성막법을 연구하여 문제를 해결하고 싶다」(安藤 준교수)고 한다. 일경산업

새로운 태양전지 패러다임
재료 내에서 태양에너지를 파워로 변환시키기 위해서는 다음의 4단계의 절차를 밟아야 한다. (1)태양광의 흡수와 엑시톤의 생성 (2)엑시톤이 전자와 정공으로 분리되는 과정 (3)전자와 정공이 각각의 전극으로 이동하는 과정 (4)전자와 전공이 전극에 모이는 과정의 4가지이다. 태양 전지의 전체효율은 이들 각 단계에서의 효율에 의존한다.
전도성 고분자 기반의 태양 전지 (유기물/양자점 하이브리드 혹은 모두 유기물로 구성된 태양전지)에서 광자의 흡수가 거의 100 %라는 것은 잘 알려진 사실이다. 그러나 현재의 효율인 약 6 %를 능가하는 높은 변환 효율을 얻는데 엑시톤이 분리되는 효율이 낮은 것과 유기물 내에서 운반자의 이동도가 낮은 것이 걸림돌이 되고 있다. 이들 두 단계에서의 낮은 효율은 각각 유기물 전자 재료의 한계에 묶여 있고 즉, 물질 엑시톤 결합 에너지 (수백 meV)가 크고, 운반자 이동도가 낮은 것 (~1cm2/Vsec)에 기인한다.
최근 미국의 Anupam Madhukar연구팀은 나노 결정 양자점으로부터 주변의 높은 이동도를 가지는 무기물 전도성 채널로의 비발광 공명 에너지 전달에 기반하는 태양에너지 변환 패러다임을 제안하였다. 연구팀은 억셉터 채널로서 GaAs/InGaAs/GaAs 양자우물 구조를 사용하고 근처의 PbS 양자점의 시분해 형광 감쇄를 측정함으로써 에너지 전달 속도를 추출하여 비발광 공명 에너지 전달의 가능성을 조사하였다. 연구팀은 PbS 양자점으로부터 비발광 천이를 통해 실리콘 나노와이어에서 발생하는 광전류를 측정함으로써 이 개념을 한 단계 더 심화시키고자 한다. 실리콘 나노와이어는 널리 연구되고 있고, 그 기술이 이미 잘 정립이 되어있어 효율적인 비발광 공명 에너지 전달 기반의 태양 전지를 저렴하게 구축할 수 있을 것으로 예상되어 실리콘 나노와이어가 선정되었다.
연구팀이 제안한 비발광 공명 에너지 전달 기반의 태양 전지 패러다임은 다음의 이점을 제공한다. (1)양자점의 높은 흡수 효율 (2)무기물 채널에서 낮은 엑시톤 결합 에너지로 인해 자발적으로 엑시톤이 전자와 정공으로 나뉘면서 주변의 무기물 에너지 억셉터 채널로 공명 엑시톤을 전달 (3)높은 이동도로 인한 무기물 채널로의 효율적인 전자, 정공의 전달 등의 세 가지가 장점이라 할 수 있다. 모든 무기물 양자점과 높은 이동도를 가지는 전하 전달 채널 구조물은 폴리머 엑시톤 태양전지에서 나타나는 전하 운반자의 생성과 전달에서의 문제점을 피할 수 있게 한다.
비발광 공명 에너지 전달에 의해 실리콘 나노와이어 전달 채널의 광전류를 기술하기 위해 평면 나노와이어 어레이가 사용되었다. 실리콘 나노와이어 어레이는 부도체 웨이퍼 위에 있는 p-type 실리콘을 전자빔 리소그래피 하여 제조된다. 나노와이어는 40±10nm 폭에 30nm 높이, 20μm 길이를 가진다. PbS 양자점의 평균 크기는 2.5nm이고, 올레익산으로 덮혀 있다. 톨루엔 솔루션 안에 있는 PbS 양자점의 효율은 약 40%이다. 이러한 PbS 양자점이 약 200nm의 두께로 나노와이어 어레이 위에 형성된다. PbS 양자점을 나노와이어 위에 형성시키면 비발광 공명 에너지 전달에 의해 실리콘의 광전류가 약 3배 증가한다. 비발광 공명 에너지 전달 효율은 약 15~38%이였으며, 이 효율은 양자점과 나노와이어의 거리를 좁히고, 양자점 리간드의 길이를 줄이며 양자구속 효과를 일으킬 수 있는 나노와이어 길이를 줄임으로써 증가될 수 있을 것이다. GTB

신문지처럼 인쇄하는 태양전지
University of Texas Austin(UTA)의 연구팀은 나노입자가 포함된 잉크를 인쇄하여 태양전지를 제작할 수 있는 기술을 개발 했다고 한다. 이 기술을 이용할 경우 신문을 인쇄하거나 페인트를 칠하는 것과 비슷한 매우 간단한 방법으로 건물의 외벽, 지붕 등을 모두 태양전지로 만들 수 있다고 한다. University of Texas Austin의 화학공학자인 Brian Kogel과 그의 연구팀은 낮은 가격과 간단한 공정이란 장점을 갖는 프린팅 방식의 태양전지 제작 기술에 대한 연구를 진행 중이다. 연구팀은 이 기술의 사전검증 테스트에 대한 보고서를 Journal of the American Chemical Society.를 통해 발표했다. Kogel은 프린팅기법으로 현재 Gas-Phase 증착법을 대체할 경우 현재 태양전지 가격의 1/10만으로도 태양전지를 만들 수 있을 것이라 기대하고 있다. “프린팅기법은 태양전지 기술과 태양전지가 우리 생활 곳곳에 보급될 수 있도록 하는데 필요한 모든 요건을 충족시키는 기술입니다.” Kogel은 이야기 했다. “태양은 우리에게 거의 무한대의 에너지를 제공하고 있습니다. 그러나 현재의 태양에너지 활용기술들의 활용을 위해선 너무 많은 비용이 필요합니다. 화석연료와 경쟁하기엔 무리가 있죠.” 프린팅 방식의 태양에너지 제작에는 태양전지를 구성하는 물질이 포함된 잉크가 사용된다. 이 잉크는 roll to roll 방식으로 플라스틱 기판 또는 스테인레스 스틸위에 인쇄될 수 있으며 이러한 점으로 볼 때 잉크를 페인트처럼 지붕이나 벽면에 발라 태양전지로 활용하는 것도 얼마든지 기대해 볼 수 있을 것이다. “당신은 단지 광흡수 물질을 페인팅하고 그 위에 태양전지의 제작에 필요한 다른 물질을 덫 바르기만 하면 됩니다.” Kogel은 이야기 했다. “이것은 패인팅기법을 이용해 만드는 태양전지의 시작일 뿐입니다.” kogel의 연구팀은 광흡수재료로 나노물질을 사용하고 있는데 그 이유는 물질이 나노사이즈로 작아 짐에 따라나는 양자역학적 특성이 태양전지의 효율을 높이는데 도움을 주기 때문이다. Kogel과 그의 연구팀은 CIGS라 불리는 Copper Indium Gallium Selenide 태양전지를 이용하고 있다. “CIGS는 Silicon과 비교할 때 여러 가지 장점을 가지고 있다고” Kogel은 전했다. “CIGS는 직접천이형 반도체이기 때문에 같은 두께의 박막으로도 실리콘 보다 많은 양의 빛을 흡수 할 수 있습니다.” 현재 Kogel의 연구팀이 페인팅 기법을 통해 제작한 CIGS 태양전지의 광전 변환효율은 1%내외로 매우 낮은 수준이나 Kogel은 자신의 연구결과에 대해 무척 긍정적이었다. “페인팅 기법으로 만들어진 10%정도의 효율을 지닌 태양전지는 엄청난 상업적 가치를 지닙니다.” Kogel은 이야기 했다. “만일 그러한 태양전지를 만들어 낸다면 수년 내에 당신이 가는 어느 곳에서나 우리가 개발한 태양전지를 볼 수 있을 것입니다.” ACB

실리콘 나노와이어와 탄소 나노튜브를 이용한 태양 전지 연구
실리콘은 마이크로 전자회로에서 가장 중요한 반도체 재료이며, 실리콘을 기반으로 한 태양전지(solar cell)는 현재까지 광전지 산업에서 가장 중요한 역할을 차지하고 있다. 현재 태양 전지에 대한 연구가 다양한 분야에서 활발히 이루어지면서, 실리콘 외의 재료를 기반으로 한 태양 전지나 유기 태양전지에 대한 연구도 많이 이루어지고 있고, 점차 그 효율도 실리콘 기반 태양전지만큼 높아지거나 생산전력당 단위 비용은 실리콘 기반 태양전지보다 낮은 경우도 많이 있다. 하지만 현재까지는 기존 산업에서 실리콘 공정을 이용했었기 때문에, 보다 편하게 빨리 실리콘 기반의 태양전지를 만들 수 있는 것이 사실이고 이러한 경향은 당분간 지속될 것으로 보인다.
그러나 실리콘 벌크(bulk) 재료를 기반으로 한 태양전지가 궁극적인 승자가 될 수는 없을 것으로 보인다. 왜냐하면 효율면에서 다른 재료들이 앞서거나 생산단가가 낮은 경우가 점차 증가하고 있기 때문이다.
이에 따라 최근 실리콘 나노와이어를 기반으로 한 태양전지도 활발히 연구되고 있다. 나노 전자소자에 있어서 실리콘 나노와이어는 이미 상당히 연구가 많이 되어왔기 때문에 태양 전지 응용을 위해 필요한 연구를 위한 기반도 많이 이루어져 있는 것이 사실이다.
최근 이와 관련하여 보다 정교하게 실리콘 나노와이어와 탄소 나노튜브의 하이브리드 결합 구조를 이용하여 태양전지를 연구한 결과가 있어 이를 소개하고자 한다. 이 연구는 “Hybrid heterojunction and photoelectrochemistry solar cell based on silicon nanowires and double-walled carbon nanotubes”라는 제목으로 Nano Letters에 발표되었다. 이 연구는 중국의 Tsinghua University의 연구팀에 의해 수행되었다.
연구팀은 이번 연구에서 기존에 잘 알려져 있는 electrolyte 물질과 실리콘 나노와이어, 이중벽 탄소 나노튜브를 이용하여 하이브리드 구조의 태양전지를 만들었고, 이 구조가 기존의 실리콘 나노와이어 기반의 태양 전지보다 높은 효율을 가진다는 것을 증명했다는 점에서 이번 연구가 큰 의미가 있다고 발표하고 있다. 특히 이중벽 탄소나노튜브는 실리콘 나노와이어와 헤테로접합을 이루는 한편 투명 전극으로 이용되기도 하였다고 한다. 또한 실리콘 나노와이어의 배열을 통하여 반사율을 낮추어서 태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있었다고 한다. 이번 연구 결과에서는 실리콘 나노와이어의 밀도가 0.150 정도일 때, 하이브리드 태양전지의 전환효율(conversion efficiency)가 1.29%가 나왔다고 연구팀은 발표하고 있다. 또한 이번 연구 결과를 바탕으로 앞으로 구조와 재료 특성을 조절하여 더욱 효율이 높은 하이브리드 태양전지 연구를 수행할 것이라고 밝히고 있다. GTB

Virginia Tech의 제로에너지 하우스 ‘Lumenhaus’
Lumenhaus는 지열과 태양광을 건물의 에너지원으로 하는 Virginia Tech의 제로에너지 하우스이다. Lumenhaus를 제로에너지 하우스로 만들기 위해 지열에너지 시스템 및 태양광발전 시스템 이외에도 다양한 에너지 절감 시스템이 도입되었다. 복사난방 시스템의 도입, 재생가능한 또는 재생 자재를 이용한 건축, 우수한 단열특성을 지닌 단열재의 사용 등은 Lumenhaus의 에너지 사용량을 낮춰 주고 있다. Virginia Tech의 도시 건축과 학생들은 Lumenhause를 미국 에너지부에서 주최한 Solar Decathlon 2009에 출품했다. Virginia Tech의 Lumenhaus는 지난 9월 워싱턴 DC의 National Builiding Meseum에 전시되었으며 10월에는 Solar Decathlon 2009 행사장에 전시될 것이다. Virginia Tech는 2010년 7월 유럽의 마드리드에서 열리는 Solar Decathlon 2010에 초대된 두 개의 미국대학 중 하나이다. Lumenhaus에 설치된 태양전지는 Lumenhaus에 탄소를 배출하지 않는 청정한 전력을 공급한다. Lumenhaus의 천장에 하나의 회로를 통해 배열된 태양전지는 건물의 건축과 동시에 설치되었으며 다른 건물들에 설치된 태양전지와는 다르게 양쪽 면 모두 태양광을 받을 수 있는 구조이다. 또 각각의 태양전지에는 태양광의 방향을 따라 각도를 조절하게 해주는 엑추에이터가 달려있다. 이러한 구조 덕분에 Lumenhaus에 설치된 태양전지는 15%에 달하는 광전 변환효율로 전력을 생산해 낼 수 있다. Lumenhaus를 외부의 에너지공급 없이 운용하기 위해선 에너지 절감 기술이 필수적이다. 이를 위해 Lumenhaus는 모든 조명으로 고효율의 LED를 사용하고 있으며 냉난방에 사용되는 에너지를 절감하기 위해 건물의 모든 외벽은 직사광선에 의한 내부온도 상승을 막아주는 금속 셔터와 반투명의 단열슬라이드의 두 부분으로 구성되어 있다. 금속셔터는 건물의 북쪽과 남쪽 방향을 따라 개패가 가능한데 한쪽 셔터가 닫혀있는 동안 반대편의 셔터는 열린 상태로 유지되어 건물내부를 자연광으로 밝혀주는 역할을 한다. 건물외벽을 구성하는 또 다른 요소인 반투명의 단열슬라이드는 에어로겔이 삽입된 폴리탄산에스터로 만들어진다. 에어로겔은 현존하는 최고의 단열재로 자연광을 차단하지 않으면서도 기존의 두꺼운 건물외벽과 동등한 단열 성능을 제공한다. ACB

일본, 태양광 발전 시스템 시장에 관한 조사 결과
야노(Yano) 경제 연구소에서 조사기간은 2009년 5월~10월, 조사 대상은 국내 태양전지 셀·모듈 메이커, 주택 메이커, 주택용 및 공공·산업용 태양광 발전 시스템 판매 사업자 등으로 조사 방법은 야노 경제 연구소 전문 연구원에 의한 직접 면담, 전화에 의한 설문 조사 및 문헌 조사 병용하여 일본 국내의 태양광 발전 시스템 시장의 조사를 실시하였다.
본 조사에 있어서의 일본 국내 태양광 발전 시스템 시장이란 `주택용 태양광 발전 시스템 시장` 및 `공공·산업용 태양광 발전 시스템 시장`을 대상으로 한다.
2008년도 일본 국내 태양광 발전 시스템 시장은 1,643억 엔(약 2조 2,180억 원)(2007년도 대비 109%, 최종 사용자 판매 금액 기준)으로 2006년도 이후의 2년 연속 축소로 일관되다가 다시 확대로 변경되었다. 2008년도 내역은 `주택용 태양광 발전 시스템 시장`이 1,317억 엔(약 1조 7,779억 원)(구성비 80.2%, 2007년도 대비 107%), `공공·산업용 태양광 발전 시스템 시장`이 326억 엔(약 4,401억 원)(구성비 19.8%, 2007년도 대비 119%)이었다.
일본 국내 태양광 발전 시스템 시장의 확대를 견인하여 온 주택용 태양광 발전 시스템 시장은 2005년도 1,784억 엔(약 2조 4,084억 원)을 피크로 2006년도, 2007년도는 축소 경향으로 추이되었지만 2008년도 정부 도입 조성 제도의 재개 등을 배경으로 3년 만에 확대로 변경되었다.
지금까지 유럽 시장을 타깃으로 하고 있던 중국, 한국을 중심으로 하는 해외 태양전지 메이커가 일본 국내 태양광 발전 시스템 시장을 새로운 타깃으로서 주목, 신규 참가하는 메이커가 잇따르고 있는 것 외에 판매 면에서도 가전점이나 홈 센터, GMS(General Merchandise Merchandise Store) 등의 소매 사업자 및 가스 공급 사업자나 주유소 등 타업종 사업자의 주택용 태양광 발전 시스템 판매 사업으로의 참가도 활발해지고 있다.
2009년도 이후의 일본 국내 태양광 발전 시스템 시장, 2009년 1월에 재개된 정부에 의한 도입 보조금 지급 제도와 2009년 11월에 시작한 잉여 전력 매입 제도에 의해 주택용 태양광 발전 시스템 시장을 중심으로 급확대 함으로써 2009년도는 2,829억 엔(약 3조 8,191억 원)(2008년도 대비 172%)에서 2015년에는 1조 159억 엔(약 13조 7,146억 원)(2008년도 대비 618%)까지 확대할 것으로 예측하고 있다고 한다. ACB

석유 생산을 위해 태양에너지를 사용하는 ‘석유회사 Chevron’
미국의 정유회사인 Chevron은 California 중부의 오래된 유전에서 석유생산을 늘리기 위해 Brightsource Energy로부터 집광태양열 발전시스템을 도입 한다는 계획을 발표했다. 석유회사에서 태양에너지를 이용한다? 조금 이상하게 들리지만 맞는 말이다. Chevron은 태양에너지를 이용, 화석연료를 좀 더 쉽게 얻고자 하는 노력을 하고 있는 것이며 이는 석유의 채굴을 좀 더 친환경 적으로 하는 방법 일 수도 있다.
Reuters의 보고에 따르면 Chevron의 CST 시스템은 7,000개의 거울을 이용 태양 빛을 스팀을 생산하는 타워에 집중시키며 타워에서 생산된 스팀은 석유가 매장된 지하로 내려가 무거운 오일들을 가열하여 땅속깊이 매장되어 있는 원유를 지상으로 끌어올리기 쉽게 해줄 것이다. Chevron 현재 스팀을 발생시키기 위해 천연가스 터빈을 사용하고 있다. CST 시스템은 태양에너지를 이용하는 기술 중 가장 경제적이고 효율이 높은 기술로 자리매김 하고 있다. CST 시스템은 여러 개의 반사경과 액채가 채워진 타워로 구성되어 있으며 반사경에서 반사된 빛이 타워로 집광되어 타워 내부를 고온 고압의 스팀 상태로 만들도록 설계되어 있다. CST를 이용한 발전 시스템의 경우 타워에서 생성된 스팀은 터빈으로 전달되어 터빈을 돌리고 이에 따라 전기가 생성되는 구조를 가진다. California의 Calif에 설치될 Chevron 시스템은 2010년 말 건설이 완료되어 가동 될 예정이다. ACB

전기를 생산하는 타일
SRS Energy는 곡선형의 지붕에 활용될 수 있는 기와모양의 태양전지를 개발 했다고 발표했다. Sole Power로 이름 붙여진 이 태양전지는 일반 주택의 지붕에 설치되 있는 기와 위에 손쉽게 설치될 수 있다. SRS Energy에 따르면 Sole Power는 10에서 500W의 전력을 생산해 낼 수 있다고 하며 이는 일반적인 태양전지와 엇비슷한 수치이다. Sole Power를 제작하고 있는 SRS Energy에 따르면 전체 지붕 면적의 20~25%를 Sole Power를 설치하고 나머지 부분은 점토재질의 일반 타일을 사용하는 것이 바람직 하다고 한다. Sole Power는 플렉서블한 태양전지기판을 플라스틱으로 몰딩하여 만들어 지며 비정질 실리콘 태양전지 특유의 푸른색을 띤다. Sole Power에 사용된 비정질 실리콘 태양전지는 결정질 태양전지에 비해 낮은 광변환 효율을 가지지만 태양광 스팩트럼의 더 많은 부분을 흡수하기 때문에 흐린날에도 어느정도 전력을 생산해 낼 수 있는 장점을 지닌다. Sole Power가 가지는 또 하나의 장점은 지붕과 Sole Power사이의 빈 공간에서 발생하는 공기의 흐름이 주택의 냉방을 돕는 다는 점으로 여름철의 경우 냉방에너지를 5~20%까지 절감 할 수 있다고 한다. 태양전지의 선택에 있어 가장 중요한 점 중 하나는 태양전지의 제작에 소요된 에너지를 회수하는데 얼마나 걸리느냐 이다. Sole Power의 제작에 필요한 에너지는 얼마나 될까? SRS Energy에 따르면 Sole Power의 제작에 사용된 에너지를 회수하는데 필요한 기간은 일반적인 태양전지에 비해 짧다고 한다. 그렇다면 Sole Power의 설치에 필요한 비용은 얼마나 될까? 100의 넓이를 기준으로 할 때 25,000~30,000$ 정도가 소비된다고 한다. 하지만 연방정부에서 제공하는 30%의 리베이트와 주정부와 지역에서 제공하는 인센티브를 고려하면 훨씬 적은 비용으로 Sole Power의 설치가 가능하다. SRS Energy에너지와 US Tile은 현재 Sole Power를 미국의 서부 지방에 출시하고 있으며 2010년 봄까지 전 세계에 납품할 것이라고 한다. 앞서 Sole Power에 대한 다양한 장점을 언급했지만 모든 사람들이 Sole Power의 가능성을 높게 평가하진 않을 것이다. 일부 전문가들은 Sole Power의 곡선형태가 태양전지의 광변환 효율을 떨어뜨리는 요소가 되지 않을까 하는 의문을 제기하고 있다. ACB