태양에너지 비행기 이륙하다. (Solar plane takes flight)
스위스의 한 모험가 Bertrtand Piccard는 태양력 비행기를 이용하여 처음으로 전 세계를 비행하는데 성공하였다고 밝혔다. 스위스 저고도 비행장에서 비행성공을 입증하였다. Bertrand Piccard 는 열기구로 세계 일주에 성공한 조종수이기도 하다.
Piccard는 AP통신의 인터뷰에서 하늘에서 본 태양력 비행기는 정말 멋졌다고 했다. 완전히 새로운 비행기이고 이렇게 크고 가볍고 적은 에너지를 사용하는 비행기는 처음이라고 했다.
“Solar Impulse”라고 명명된 쏠라 파우더 비행기는 보잉747기의 날개길이와 같지만 무게는 소형차 한 대보다 가볍고 상공 1미터에서 1150 피트를 비행했다고 전했다.
이 비행기의 목표는 큰 비행기를 만드는 것이 아니라 엔지니어들이 고안한대로 작동되느냐를 확인하는 것이고 그 결과는 매우 놀랍다고 했다. 반면 이 비행기로 세계를 일주하기 위해서는 아직 해결해야 할 과제들이 남았다고 말했다.
내년에는 이 비행기의 태양에너지를 이용한 야간비행을 하기 위해 태양전지판을 부착할 계획이다. 다양한 차기 테스트 중에 하나로 시행될 예정이다. ACB

일본, 태양전지의 효율 향상 기대
- 후지(Fuji) 전기, 그라펜(graphene) 개발 강화 / 태양전지의 효율 향상에 이바지 -
일본 후지 전기 홀딩스(Holdings)가 차세대 전자재료로서 기대되는 탄소 소재 `그라펜`의 개발을 강화하고 있다. 태양전지 전극에 사용하는 그라펜의 박막 시범 제작에 성공하여 세계적으로 요구가 늘어나고 있는 태양전지의 발전 효율 향상에 이바지할 수 있게 되었다. 후지쯔(Fujitsu)나 미국 IBM도 반도체 재료에 활용하기 위한 개발을 진행하고 있어 전자 부품의 기능 향상을 목표로 하여 그라펜을 둘러싼 개발 경쟁이 격화되고 있다.
그라펜은 대전류에도 견딜 수 있는 등 강도가 높으면서 발전 효율을 높일 수 있다는 특징이 있다. 탄소 재료에서는 원통형의 카본 나노 튜브가 있지만 그라펜은 평면상이므로 회로 기반으로 이용하기 쉽다. 후지 전기 홀딩스에서는 그라펜을 태양전지의 투명 전극에 사용하는 연구·개발을 추진하고 있다. 현재 태양전지의 투명 전극에는 산화 인디움 주석(이하, ITO)이 사용되고 있지만 ITO는 태양광에 포함된 적외선을 투과하기 어렵기 때문에 발전 효율을 올릴 수 없다는 문제점이 있었다.
그라펜은 적외선도 투과되기 쉽기 때문에 후지 전기 홀딩스에서는 그라펜을 전극에 이용함으로써 발전 효율을 기존 대비 40% 정도로 높이는 것을 목표로 하고 있다. 그러나 사이즈가 큰 그라펜을 만드는 것이 어려웠지만 후지 전기 홀딩스는 종래 대비 수십 배 증가한 최대 200 마이크로미터의 그라펜을 제조하는 것에 성공하였다. 향후 가능한 조기에 제품화를 목표로 할 것이라고 한다. 그라펜 개발은 태양광 이외에도 진행되고 있다. 후지쯔는 기존 반도체 공장에서 그라펜을 회로에 사용한 반도체를 생산하는 기술을 개발하여 실리콘을 사용한 반도체와 비교하여 전력 소비량을 최대 100분의 1을 목표로 하고 있다. GTB

태양전지 기술의 혁신: 투명 분무형 전지의 개발
최근 미국의 New Energy Technologies사는 어떠한 유리표면에도 분무살포할 수 있는 투명한 태양전지를 개발하였다. 원리는 태양전지로부터 모든 금속성분을 성공적으로 제거하는 것을 이용하였다. 즉, 음성 극성접촉(polar contact)을 유발하는 태양전지 내 금속성분을 제거한 것이다. 그리고, 이들 금속성분을 투명한 환경친화적 성분으로 대체하였다.
New Energy Technologies의 CEO 이자 사장인 Meetesh V. Patel에 따르면, 유리 위에 직접적으로 태양발전을 위한 코팅을 분무할 수 있는 기술의 개발은 투명성을 방해하는 금속성분을 환경친화적인 투명한 성분으로 대체하는 혁신기술의 최고봉에 섰음을 의미하고, 전기를 생산할 수 있는 투명 유리창의 개발에 있어 중요한 진전을 이루었음을 의미한다고 밝혔다.
현재의 태양전지는 실리콘 웨이퍼(silicon wafers)로 대부분 제작되어, 비싸고 깨지기 쉬운 성질을 갖는다. 그리고, 최근에 개발된 저가의 박막 태양전지는 초진공 및 고온의 생산공정을 요구한다. 또한, 이 두 기술들은 개발된 분무형 기술 대비 완성에 오랜 기간이 걸리는 단점이 있다.
이번에 새롭게 개발된 초소형 태양전지는 전 세계에서 실용화 가능한 것 중 가장 작은 것으로, 쌀 알갱이의 1/4 수준이다. 또한 이 초소형 태양전지는 햇빛에 존재하는 가시광선 영역의 스펙트럼에서 전기를 생산할 뿐만 아니라, 형광등과 같은 인공빛에서 발생되는 가시광선에서도 전기를 생산할 수 있다.
이 전지의 성능은 인간의 머리카락의 1/1000 수준의 초박막 필름의 개발을 가능하게 해준다. 반대로, 기존의 박막필름은 지수적인 증가로 인하여 수 마이크로미터의 두께를 가짐으로써 투명성을 방해한다.
Patel에 따르면, 상업적 관점에서 이 새로운 분무기술은 태양에너지 창(SolarWindow) 관점에서 제조의 장점을 갖는데, 이에는 가격의 절감, 생산속도의 증가 및 상온 증착과 같은 기존의 상업화에 있어 장애물을 뛰어넘었다는 것이라고 한다.
그는 이 기술은 햇빛에 직접적으로 노출되는 것이 한계를 갖거나 불가능한 지역에 적용될 수 있는 특징을 갖는데, 이는 이 초소형 태양전지가 자연 및 인공적 광선의 조건에서 모두 전기를 생산할 수 있는 특별한 능력을 실증하였기 때문이라고 주장하였다.
이러한 분무형 기술은 최초의 기술은 아니다. 나노입자 잉크와 같이 지붕 및 표면을 코팅할 수 있는 기술이 현재 연구되고 있다. 그러나, 나노입자 잉크는 유리창에 적합하지는 않다.
미국 에너지 정보국(Energy Information Administration)에 따르면 미국 내에는 5백만개의 상업용 건물이 있다고 한다. 이 기술이 적용가능하다면, 분무형 태양전지는 설치의 용이성으로 인하여 현재 벌어지고 있는 태양발전의 동향을 바꿀 수 있다. 이 투명전지는 현재 기술특허 등록중이라고 한다. GTB

실리콘 선으로 만든 효율적인 태양전지
미국 과학자들이 기존의 광전지 기기보다 실리콘을 100배나 덜 사용해서 태양전지를 만들 수 있는 방법을 고안해냈다. 연구팀이 이번에 고안한 새로운 시스템은 실리콘의 기하학적 구조를 재배치한 것으로, 편평한 웨이퍼(wafer)모양을 전지 위에 수직하게 얇은 실리콘 막대기를 배열하는 방식으로 바꿔 만든 것이다.
현재 사용하고 있는 실리콘 태양 전지는 약 100-200 마이크로미터 두께로 되어 있으며, 부서지기 쉬운 실리콘 웨이퍼로 만든 것이다. 이것은 빛을 전기 에너지로 변환한다는 관점에서는 상대적으로 효율적일 수 있지만 (25퍼센트 까지), 이를 위해서는 상대적으로 많은 양의 실리콘 재료가 필요하며, 따라서 기기의 상당 부분의 비용이 이와 관련이 있다.
미국 Harry Atwater (California Institute of Technology) 연구팀은 빛을 모으는데 실리콘 선(silicon wires)을 이용하면 웨이퍼보다 실리콘이 훨씬 덜 사용한다는 것을 보였다. 연구팀은 표면 위에 선의 배열이 직경 0.5-2 마이크로미터 정도되며, 높이는 30-200 마이크로미터 정도로 표면의 2-10%를 차지한다고 말했다. 빛이 배열을 때리면, 빛은 흡수될 때까지 막대기 사이의 주위에 결합되어 있다. 알루미나로 된 작은 나노입자는 막대기 사이의 반사물로 사용되었다. Atwater 박사는 “실리콘 선 배열 전지의 광학 흡수 효율성과 전하 운반 수집률은 기존의 실리콘 전지와 비교할 만 하다. 실리콘 선 배열 전지는 향상된 빛 채광 효과를 증대시키기 위해 기존보다 실리콘을 100배 덜 쓸 수 있다”고 말한다 중요한 것은 기존의 실리콘 표면보다 보다 효과적으로 적외선을 모을 수 있다.
실리콘 선을 사용하면, 광전 공학 배열은 얇고 유연한 필름으로 만들 수 있으며, 마치 플라스틱 판처럼 말 수 있지만 광학 및 광전 공학 특성은 실리콘-웨이퍼-기반 기기와 유사하다고 Atwater 박사는 말한다. 광전 공학 전문가인 Gianfranco Claudio(Loughborough University, 영국)는 실리콘 선이 기존이 실리콘이 가지고 있던 거대한 장벽을 뛰어넘은 것처럼 보인다고 평가했다. 기존의 실리콘의 가장 큰 한계는 스펙트럼의 적외선 빛을 사용할 수 없었기 때문에, 태양에서 나오는 이 영역의 빛을 광전류로 바꾸지는 못했다. 하지만 실리콘 선은 이 지역의 빛을 포획할 수 있기 때문에, 기존의 비효율성을 잠재적으로 극복한 것이라고 Claudio 박사는 말한다. GTB

실리콘 나노선으로 태양열 모으기 성공
과학자들이 실리콘 나노선으로 태양열을 모으는데 성공했다. 미국 버클리대학 화학과의 Yang은 화학자 Erik Garnett과 함께 관련 연구성과를 Nano Letters 지에 “실리콘 나노선 태양전지로 빛을 모으다 (Light Trapping in Silicon Nanowire Solar Cells)” 라는 제목으로 논문을 발표했다.
실리콘에서 만들어진 태양전지들은 미래의 재생가능한 그린에너지산업에서 중요한 부분을 차지하지만 지금까지 현실적으로 다가오진 않았다. 태양빛을 전기로 바꾸는 실리콘 광전변환소자(photovoltaics)가 20퍼센트의 놀라운 효율을 보이지만 이 태양전력의 가격이 대용량으로 쓰기에는 너무 비싸기 때문이다.
하지만 미국 로렌스 버클리 국립 연구소의 연구진이 이 가격을 현실적으로 줄일 수 있는 방안을 제시했다. 이들의 성공요인은 태양빛을 잡는 더 뛰어난 방법을 개발한 것이다. 이 연구를 이끈 화학자인 Peidong Yang은 “정렬된 배열의 수직 실리콘 나노선에서 얇은 필름을 제작함으로서 우리는 우리의 태양전지의 빛을 모으는 능력을 73배 증대시킬 수 있었다.”라고 말했다.
이들 연구진은 “기존의 평면 p-n 접합대신 나노구조화된 방사형(radial) p-n 접합을 수직배열로 만들어서 사용함으로서 최소한도로 갖추어야만 했던 실리콘 요구량 및 질을 낮출 수 있었다. 배열상의 각 나노선들이 p-n 접합(junction)을 가지는데 이들은 개별적인 태양전지로서 기능할 수 있다. 이 배열상의 나노선의 길이를 조정함으로서 우리는 빛을 모으는 경로의 길이를 늘릴 수 있었다. 이 놀라운 빛을 모으는 기술은 상대적으로 쉽고 측정가능한 수용액상태에서의 화학반응이기 때문에 우리는 우리의 접근법이 경제적으로 고효율을 달성할 수 있는 방법이라고 생각한다.”라고 Yang은 설명했다. (Yang 은 반도체 나노선에 있어서 권위있는 전문가다.)
이들 태양나노선들의 변환효율이 5에서 6퍼센트에 불과하지만 Yang은 이 효율은 표면 패시베이션(passivation, 반도체 칩 표면에 보호막을 씌움), 반사방지(antireflection), 그리고 다른 효율증진에 의해 10퍼센트이상으로 높힐 수 있다고 밝혔다.
이 10퍼센트 또는 그 이상의 변환효율과 훨씬 더 낮춘 실리콘 필요량을 야금술(metallurgical) 실리콘사용능력과 결합하면 실리콘 나노선을 대용량발전에 유력한 후보로 올릴 수 있게 되는 것이다. “우리의 기술은 현재의 태양패널생산과정에도 쓰일 수 있다”고 Yang 은 덧붙였다. GTB

태양전지용 웨이퍼 제작비용을 획기적으로 줄이는 기술개발
태양전지용 크리스탈라인 실리콘 웨이퍼 제작비용을 80%까지 절감할 수 있는 새로운 제조 프로세스가 개발되었다. Lexington에 의해 개발된 이 프로세스는 MA-기반의 1366 Technology인데, 이번 주 처음으로 신규 개발된 프로세스를 통해 생산된 태양전지가 선보였다. 이 기술은 향후 10년 이내에 석탄생산 전기보다 더 값싼 태양광전력을 생산한다는 계획상에서 중요한 기술이다.
실리콘 웨이퍼는 기존의 태양전지 시장에서 가장 핵심적인 부품이다. 이것은 태양광을 흡수하고 전자들을 생산하는 역할을 한다. 현재 제작된 웨이퍼 제작방법은 아직도 값비싸고 재료가 매우 순수한 크리스탈라인 실리콘의 1/2을 허비한다. 실리콘의 커다란 잉곳이 머리카락같이 얇은 웨이퍼 내부로 들어갈 때, 허비되는 실리콘은 거의 톱밥과 같다. 아직 자세한 것은 비밀이지만, 새로운 프로세스는 웨이퍼 생산시 절단하는 작업과정 없이 직접 녹아있는 상태의 실리콘에서 직접 웨이퍼를 생산한다. 이것은 재료를 절약하고 태양전지 생산시 필요한 많은 과정을 감소시키며 비용의 감소도 가져온다.
“이 기술은 비파괴적이다.”라고 Novus Energy Partners의 CEO이자 태양광업체인 REC 설립자인 Reidar Langmo씨가 말했다. 그는 최근에 1366기술 그룹에 결합했다.
이 프로세스는 미국 말보로 MA지역 기반의 태양전지 제조사인 Evergreen Solar사에 의해 상용화된 유사한 기술을 개발했던 MIT의 교수 Emanuel Sachs에 의해 개발되었다. 그러나, 새로운 프로세스는 더욱 더 빨라질 것이라고 1366 기술그룹 CEO인 Frank van Mierlo씨는 말한다. 하나의 생산장비는 태양전지 용량의 30배를 생산할 수 있었으며, 이것은 생산장비의 비용을 낮추고 동일한 태양전지를 생산하는데 필요한 생산기계를 더 적게 구비함을 의미한다. 이 회사는 기존의 태양전지와 동일한 규격으로 태양전지를 생산할 계획이다. 이것이 기존의 생산라인을 이용하여 완벽한 태양광 판넬을 생산하기 위한 배열을 조합시키는 방법이다.
현재까지 생산된 제품은 단지 조그마한 태양전지에 불과하다.(기존 태양전지의 크기인 약 15cm 폭에 비해 약 몇 cm에 불과함). Van Mierlo씨는 내년에 100메가와트 생산시설을 설립할 예정이라고 말했다.
1366 기술그룹이 개발한 이 최초품 태양전지는 현재 시장에서의 크리스탈라인 태양전지처럼 태양에너지를 전기로 효율적으로 변환시키지는 못한다. 그런데, van Mierlo씨가 정확한 언급은 피했지만, 새롭게 생산된 제품이 박막필름 태양전지보다 훨씬 효율적이며 기존의 크리스탈라인 실리콘 제품보다 더 값싸게 생산이 가능할 것이라고 확신했다.
이 기술은 미국 에너지 고등연구기획국(Advanced Research Projects Agency for Energy)의 4백만달러와 일반기업 펀드 500만 달러가 투입된 덕분에 이루어낸 성과라고 van Mierlo씨는 말했다. GTB

평면 미세광학 광기전 태양집광기
집광식 태양발전(Concentrating photovoltaic : CPV) 시스템은 저가의 광학부품들을 이용하여 평판 실리콘 태양전지나 박막 태양전지 디자인에 비해서 더 작은 고효율 반도체 태양전지 위로 햇빛을 집중시킨다. 전형적인 집광 시스템 디자인에는 균일하게 태양전지를 비추기 위한 부수적인 광학부품들과 함께 프레넬 렌즈나 코팅된 집속거울들이 필요하다. 집광기 시스템들의 배열을 만들기 위해서는, 수 백 개의 개별 셀들에 빛을 집속시키기 위한 수 백 개의 광학부품들이 필요하며, 대규모로 정렬하고 제조하는 것이 어렵다. 이 모든 셀들을 연결해서 하나의 완전한 모듈로 만들면 비용과 복잡도가 모두 커진다.
이러한 걱정을 덜기 위한 대안으로서, UCSD(University of California, San Diego) 연구진이 미세광학 렌즈 배열에 의해 집속된 햇빛을 평면 도파로를 이용하여 공유된 태양전지 셀에 결합시키는 CPV 디자인을 개발했다.
미세광학 렌즈들은 내부전반사에 의해 도파로 속으로 빛을 결합시키기 위해 평판 도파로 뒷면에 제조된 작은 반사면 위로 햇빛을 집속시킨다. 도파로는 우수한 빔 균질성을 제공하기 때문에, 부수적인 광학요소의 역할을 수행하며 전체 배열에서 모아진 햇빛을 도파로 가장자리에 위치한 하나의 PV 셀로 전달한다. 이러한 배치형태에서는 렌즈들과 결합영역 사이의 정렬 문제가 주된 약점이 된다. 이러한 이유로 연구진은 집광 광학계를 만들기 위해서 자체정렬 제조방식으로 전환하였다. 이 방식에서 렌즈배열은 클래딩에 대해 작은 간격으로 도파로 위에 탑재되며, 광중합체를 결합기 프로파일 형태로 현상하기 위한 마스크로 사용된다. 중요하지 않은 위치에 있는 잔여 레지스트는 제거되며, 각각의 렌즈 초점에 위치한 국부적 영역들은 남게 된다. 이 전체 공정은 롤투롤(roll-to-roll) 제조공정을 이용할 수 있으며, 그 결과 비용을 최소로 유지할 수 있을 것이다.
결합구조와 렌즈 파라미터 및 도파로를 지나는 광선의 전파특성을 면밀하게 분석함으로써 최적의 배치구조가 결정되었다. 정점이 120°인 반사성 대칭 프리즘들은 도파로 결합에 매우 적합하였으며 자체정렬 공정과도 호환성이 있었다.
모의실험 결과 82%의 광 효율로 300배의 집속이 달성되었다. 연구진은 규격 부품을 이용하여 개념증명을 위한 미세광학 집광기를 제작하고 시험하였다. 이들은 렌즈배열을 이용하여 직경 200μm 이내의 지점들에 120° 프리즘들을 만들었다. 실험 결과 빛의 32%만이 ±1°의 수광각으로 도파로 가장자리에 도달했지만, 주문 제작 렌즈배열을 이용하면 손실과 수차가 제거되어 광 효율이 증가될 것이다.
* 그림 : 집광식 CPV 디자인은 미세광학 렌즈배열이 집속한 햇빛을 패터닝된 도파로 속으로 결합시키며, 렌즈배열의 모든 빛을 도파로 가장자리로 전달하여 하나의 PV 셀이 빛을 받도록 만든다. 이러한 광학/도파로 조합은 수백 개의 광학요소들이 개별적인 PV 셀에 정렬되어야 하는 다른 CPV 디자인에서 나타나는 정렬 문제를 크게 줄여준다. GTB