태양광 에너지 기술로드맵(국제에너지기구)
국제에너지기구(IEA; International Energy Agency)는 주요 에너지 분야에 대한 중장기(2050년) 발전 방향을 제시한 기술로드맵을 연속적으로 발표하고 있다. 본 보고서는 태양광 에너지(Solar photovoltaic energy)분야를 대상으로 한 기술로드맵 보고서로써 2050년까지의 기술 발전 방향 및 이를 위한 세부 추진전략을 담고 있다.
태양광 에너지(Solar PV) 전력은 모든 세계 지역에 걸쳐 장기 성장을 위한 분명한 잠재성을 지닌 상업적으로 이용가능하고 신뢰성 있는 기술이다. 본 로드맵은 2050년까지를 예측하고 있는데, PV가 국제 전력 생산의 약 11%를 제공할 것이고, 매년 2.3Gt의 이산화탄소 배출을 억제하게 될 것이다.
로드맵의 비전을 달성하기 위해서는 효과적인, 향후 십년간 최적 기술 진보, 비용 절감, 대량 개발을 위한 산업 생산의 증가 등을 위한 장기의 조화로운 정책적 노력이 필요하다. 정부는 장기 목표를 제공할 필요가 있고, PV 시스템의 개발 및 제조 능력에 대한 투자의 신뢰를 구축하기 위한 정책을 지원할 필요가 있다.
PV는 2020년까지 많은 지역에서 전력계에 있어 경쟁 등위(competitive parity)를 달성할 것이다. 전력계 경쟁력을 달성하기 위해서, 정책 프레임워크는 자기-지속적인 시장을 강화하기 위해 진화되어야 한다. 경제적 인센티브에 있어 진보적인 단계를 구축해야 하지만, 전력계 허용 보장과 지속적인 R&D 지원에 대한 관리를 지속해야 한다.
PV가 주된 기술로 성숙해짐에 따라, 전력계 통합 및 관리, 에너지 저장이 중요한 이슈가 되고 있다. PV 산업, 전력계 운영자는 대규모의 PV를 유연하고, 효율적인 스마트 전력계에 통합할 수 있는 새로운 기술 및 전략을 개발할 필요가 있다.
정부 및 산업계는 빠른 개발을 위해 반드시 비용을 감소시키고 PD 준비도를 보장하기 위해 R&D 노력을 증가시켜야 한다. 또한 장기적인 기술혁신을 지원해야 한다. PV 연구개발, 능력 구축에 대한 국제적인 공동협력을 확대가 필요하고, 학습을 가속화하기 위한 금융이 필요하며, 중복 노력을 회피하기 위한 노력이 필요하다.
신흥 경제국가들은 이미 PV 연구개발에 있어 막대한 투자를 수행하고 있다. 그러나 농촌전력 및 역량구축을 강화하기 위해 좀 더 많은 노력이 필요하다. 저탄소 경제개발에서 다각적이고 양자적인 지원 기관이 PV 에너지 가치를 나타내기 위한 노력을 확대하기 위해 필요하다.
<향후 10년간 주요 실천전략>
PV 시스템의 제조 능력 및 개발에 대한 투자의 신뢰성을 구축하기 위해 장기 목표를 제공하고 정책적 지원을 강구해야 한다.
기술혁신 및 기술향상을 촉진하기 위해 효과적이고 비용 효율적인 과도기적인 PV 인센티브 계획을 추진하고 시간의 흐름에 따라 감소시킨다.
적절한 금융 계획을 개발하고 수행해야 한다. 특히 개발도상국에서 농촌 전력 및 여타 어플리케이션에 있어 더욱 이러한 계획의 추진이 필요하다.
비용을 절감하기 위한 R&D 노력을 증가시켜야 하고, 빠른 개발을 위한 PV 준비도를 보장해야 한다. 또한 장기 기술혁신을 지원해야 한다. GTB

헤테로 초분자 가시 광촉매 개발
염료 감응 TiO2 나노결정 필름에 의해 표현된 "헤테로 초분자"는 태양에너지를 전기적 화학적에너지로 변환하는 지능적인 나노장치에 있어 중요한 물질이다. 일본의 연구팀은 이전에 TiO2와 자외선 조사에서 높은 2-나프톨의 분해활성을 가진 소위 “admicelle”인 표면에 형성된 양이온 계면활성제 이중층 자기 조립 헤테로 초분자 광촉매에 대해 발표하였다.
연구팀은 이번에 Au/TiO2 SPR 유도 가시광 광촉매 알코올의 카르보닐화합물로 화학 선택적 산화와 양이온 계면활성제의 도입에 의한 산화력을 현저하게 증가함을 발표하였다
정수과정에 필요한 유기물질의 TiO2-광촉매 분해에 대한 계면활성제의 첨가에 의한 비슷한 증가 효과의 보고는 있지만 유기합성으로서 산화에 계면활성제/TiO2 시스템의 응용에 대한 보고는 없었다. 이것은 매우 강한 산화력을 함유한 TiO2의 밸런스 밴드 홀과 부분적으로 산화된 제품을 선택적으로 얻기 어렵기 때문이다. TiO2 광촉매의 가장 큰 단점은 넓은 밴드 갭 때문에 가시광은 이용하기 어렵다는 것이다.
최근 가시광 여기로 TiO2에 금 나노입자 (Au NPs)를 입힌 (Au/TiO2)의 표면 플라즈몬 공명 (SPR)이 보고되고 있다. 가시광 도입 전지 전이가 산화 유기 합성에 응용할 수 있는 온화한 산화력을 가진 Au NPs를 만들 수 있다. 이런 연구는 이소프로판올을 아세톤 그리고 치올을 다이설파이드의 산화반응으로 막 시작 되었다. 그러나 광촉매 능력은 낮다.
연구팀은 알코올에서 카르보닐화합물로의 Au-TiO2 SPR 도입 가시광촉매 화학 선택적 산화와 양이온 계면활성제의 첨가에 의한 산화력의 현저한 증가에 대해 발표하였다. 로딩 양을 일정하게 가지며 Au 입자 크기를 다르게 하여 Au/TiO2를 증착-침전 방식으로 합성하였다.
알코올의 광촉매 산화는 다음과 같이 수행하였다. Au/TiO2는 신나모일 알코올 (Ph-CdC-CH2OH) 용액에 넣었고 광은 호기성 조건하에서 조사되었다. 현탁액에 자외선 조사는 빠른 비 선택적 Ph-CdC-CH2OH 분해를 일으킨다. 반대로 현탁용액에 가시광 조사는 신나모알데하이드 (Ph-CdC-CHO)와 신나믹 산 (Ph-CdC-COOH)을 부분적인 산화된 물질 90%와 10%로 선택적으로 각각 조사시간 24시간에 8% 전환율을 가지고 만들어 졌다. GTB

나노기술이 적용되어 더 향상된 태양 패널
앨버타 대학(University of Alberta)의 연구진은 태양 전지의 기능성을 대폭 증가시켰다. 태양광을 전기로 변환시키는데 사용되는 물질인 반도체에 나노기술을 도입함으로서 태양 패널이 더 많은 광을 수집할 수 있고 태양광의 더 폭넓은 스펙트럼에 접근할 수 있었다.
태양전지는 광을 수집하고 수집된 광을 전기로 변환시키는 일을 한다. 금속 나노입자를 태양전지에 적용시키면 소위 플라즈몬이라는 특성을 얻을 수 있다. 연구진에 따르면, 이런 플라즈몬 성질은 훨씬 더 강한 전자기장 구조를 만들 수 있다. 이것은 태양전지가 광으로부터 더 많은 전기를 변환시키는데 도움을 줄 것이다.
나노입자가 포함된 태양전지를 시뮬레이션 했을 때, 연구진은 이런 나노입자가 특정 공명을 가지고 이런 공명에서 입자 주위의 전자기장을 실제로 증폭시킨다는 사실을 발견했다.
연구진이 지향하는 연구목표는 태양전지의 비용을 낮추는 것이었다. 태양 기술의 발전을 막고 있는 문제 중 하나는 태양 전지의 주원료인 실리콘이 매우 비싸다는 것이다. 그리고 아직까지 화석 연료와 경쟁할 수 있을 정도의 가격 경쟁력을 갖추지 않았다는 점이다. 연구진은 이런 문제점을 타개하기 위해서 경제적 타당성을 가진 기술개발에 매진하였고, 이것이 태양전지의 적용을 증대하는데 도움을 줄 수 있을 것이라고 믿고 있다. 유기 물질, 금속, 티타늄 이산화물 등의 반도체를 사용함으로서, 비용은 매우 낮출 수 있었다.
오늘날의 많은 태양전지는 태양광의 광범위한 스펙트럼을 수집할 수 없기 때문에 사용에 제한이 있다. 반도체 나노구조와 금속 나노입자를 결합함으로서 연구진은 더 많은 빛을 흡수할 수 있는 태양전지를 얻을 수 있었고 자외선에서 적외선까지 더 광범위한 태양빛을 흡수할 수 있었다.
현재의 주류인 반도체 태양 패널을 만들기 위해서는 클린 룸이 필요한데 이것은 매우 비싼 설비이다. 이번 연구진이 제안한 기술은 클린 룸이 필요 없을 뿐만 아니라 차고에서도 새로운 태양 패널을 만들 수 있다. 또한 미심쩍은 식수 속에 나노구조로 된 반도체 입자를 첨가했을 때 이것을 때린 태양빛에 의해서 유기 오염물질이 분해되기 때문에 이번에 제안된 기술이 친환경적이라고 연구진은 말했다.
연구진은 이 기술이 5년에서 10년 사이에 상업화될 것으로 예상했다. 그러기 위한 첫 번째 목표는 이런 아이디어를 실험으로 수행해서 실제로 실현 가능한지를 평가하는 것이 될 것이고, 그 후에 이런 아이디어가 성공했다면, 상업화를 위해서 특허 등록, 회사 스핀-오프(주식회사 조직의 재편성 방법으로 모회사에서 분리·독립한 자회사의 주식을 모회사의 주주에게 배분하는 것) 등의 여러 가지 조치를 취할 예정이다. 연구진은 $20,000의 연구 기금을 사용해서 나노기술을 이용한 더 효과적이고 더 저렴한 태양패널을 개발할 계획을 가지고 있다. GTB

그라펜 트랜지스터
차세대 소자 실용화 경쟁
LSI·태양전지를 고성능화
탄소재료 그라펜을 사용한 트랜지스터에 실용화의 징조가 보이기 시작했다. 富士通은 2009년 11월 말, 미국 보스톤에서 열린 미국재료학회에서 양산을 전망한 소자의 제작법을 발표했다. 이 학회에서는 미국 IBM으로부터도 값싼 제법이 공개되어 재료연구의 새 얼굴인 그라펜에 벌써부터 기대가 높아지고 있다. 전력 절약의 LSI와 신형 태양전지 등 차세대 디바이스를 실현할 그라펜 연구의 최신 동향을 따라가 보았다.
육각형의 박막재료
그라펜은 탄소원자가 육각형의 격자 모양으로 늘어선 박막재료. 통 모양으로 감으면 카본나노튜브(CNT), 적층하면 연필심으로 사용하는 그라파이트(흑연)가 된다. 디바이스 성능을 나타내는 이동도는 실리콘의 100배 이상이다. 1991년에 CNT를 발견한 飯島澄男 名城大學 교수도 그 잠재력에는 눈이 휘둥그레진다.
04년에 영국 맨체스터 대학의 연구팀이 그라펜의 높은 전기특성을 발견, 디바이스 응용에 길을 열었다. 결정인 그라펜을 점착테이프로 벗겨내는 방법과, 금속촉매 위에 성장한 그라펜을 기판에 전사하는 방법이 개발되었다. 그러나 종래에는 모두 양산에 적합지 않은 제법이었다.
이러한 배경 속에서 富士通硏究所(川崎市 中原區)는 기판의 전체 면에 직접 그라펜 트랜지스터를 만드는 방법을 개발했다. 기존의 반도체 제조 프로세스인 화학기상성장(CVD)법을 사용한다. 650℃의 저온에서 만들기 때문에 실리콘 기판 이외에 앞으로는 투명한 유리 기판에 제작할 수 있다.
현재는 직경 75밀리미터 기판 위에서 형성하지만 동 300밀리미터 기판에도 적용할 수 있다고 한다. 이 회사는 CNT를 LSI배선에 응용하는 연구에서 선행하고 있다. 그러므로 「그라펜도 배선재료로 유력」(佐藤信太郞 주임연구원)하여 차세대 LSI에 그라펜을 다방면에서 활용하여 차별화해 나간다.
IBM은 기가헬츠 대에서 움직이는 고속 트랜지스터와 다층 그라펜을 CVD법으로 만드는 값싼 제법을 개발. 미국 인텔과 미국 코넬대학, 미국 캘리포니아 대학도 트랜지스터의 시작에 성공했다. 중국이나 대만 팀도 저명한 학술지에 이름을 올리고 있다. 미국 조지아 공과대학은 배선응용을 목표로 하고 있다.
산학관 팀도 건투
일본에서는 산학 팀도 건투하고 있다. 日立製作所와 東北大學은 소자의 고성능화를 위한 절연체인 사파이어 기판에 CVD법으로 그라펜을 만드는 기술을 개발했다. 이 기판은 실리콘 기판보다도 고가이지만 양산으로 가격을 낮출 수 있을 전망. 트랜지스터의 시작도 임박했다.
물리적인 성질 등 기초연구를 중심으로 실적을 올리고 있는 NTT는 그라펜층의 수를 평가하는 방법을 제안했다. 성장한 그라펜이 몇 층인가를 그 자리에서 관찰하며 대면적화에 필요한 층수를 제어한다. 永瀨雅夫 주임연구원은 「그라펜은 전자물성 이외에도 기계 특성과 열전도성 등 우수한 특성을 갖는다」고 강조한다.
대학의 응용연구도 진행되고 있다. 神戶大學은 시뮬레이션으로 그라펜 트랜지스터의 성능을 예측한다. 大阪大學의 松本和彦 교수 등은 그라펜 소자를 도입한 생체분자 센서를 개발했다. 암세포나 바이러스를 고감도로 검출한다고 한다. 靜岡大學도 바이오 응용에 대한 개발을 서두르고 있다.
전지재료에 그라펜을 사용하려는 시도도 시작되었다. 埼玉大學은 그라펜을 도포한 투명전극으로 유기 폴리머 태양전지를 연구. 富士電機 홀딩스도 그라펜의 투명전극으로 집광형 박막태양전지를 지향하고 있다. 미국 에너지省은 리튬이온전지의 전극에 그라펜을 첨가하여 3배 이상의 성능향상을 확인했다.
장기적 시야에서 연구에 매진하고 있는 것은 物質材料硏究機構와 理化學硏究所 팀. 두 개의 양자 도트(미소한 반도체 이자) 사이를 그라펜으로 연결한 소자를 제작했다. 미세한 집적형 나노디바이스는 「양자 컴퓨터 등의 신기능 디바이스의 지전으로 이어질 것」(物材機構)이라고 한다.
그러나 미국이나 유럽에 비교하여 그라펜 연구에 있어 일본이 뒤늦은 감이 없지 않다. 새 재료를 실용화하여 산업으로 연결하기 위해서는 자금의 확보와 연구체제의 정비가 반드시 필요하다.
文部科學省의 「지역 탁월연구자 전략적 결집 프로그램」에서 선정된 信州大學은 우수한 연구자를 내외에서 초빙하고 앞으로 5년 동안 그라펜 등의 실용화를 추진할 계획이다. 遠藤守信 교수는 「1회의 충전으로 500킬로미터 주행하는 고성능 리튬이온전지 등을 개발하겠다」며 의욕을 보이고 있다.
분류로 「폐지」!
그러나 이 프로그램은 정부의 사업 분류로「폐지」로 판정되어 산업화 한 걸음 앞에서 역풍을 맞고 말았다.
富士通이 실용화를 목표로 하고 있는 그라펜 연구는 자금이 당초부터 대폭 압축된 정부의 「최첨단 연구개발 지원 프로그램」의 채택 테마. 橫山直樹 富士通硏 관계자는 「실용화에는 많은 기술개발이 필요하다. 다른 나라에 뒤지지 않으려면 산학관의 집결이 필요」하다고 집중 투자의 중요성을 강조한다. 일간공업

블랙 실리콘이 태양 전지를 더 싸게 만든다
간단한 화학처리로 값비싼 태양전지 무반사 코팅 공정을 대체할 수 있어 결정질 실리콘(Crystalline Silicon) 전지판 제조비용 저감이 기대된다. 미국 국립 재생가능에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)가 개발한 이 화학처리 방법은 집적 회로가 조립되어 있는 얇은 실리콘 원판인 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafers)를 화학용액 용기에 담가 고도의 무반사 층을 형성시키는 단일 공정이며 비용은 와트당 몇 센트 정도라고 밝혔다. NREL 연구팀은 이러한 공정을 활용하여 시장에서 일반적으로 사용하는 실리콘 전지 효율성과 유사한 성능의 블랙 실리콘 전지를 제조하였다.
일반 결정질 실리콘 웨이퍼는 고진공 공정을 이용하여 결면구조(Textured Surface)를 생성한 후 질화실리콘을 사용한 무반사 층을 코팅시켜 오늘날 사용하는 태양 전지를 만든다. 태양전지 활성층 내부에 광자의 반사 횟수가 커질수록 전지내의 전기흐름이 이탈하게 될 기회가 많기 때문에 무반사 층을 추가하면 태양전지의 효율이 개선된다. 그러나 무반사 층을 코팅하면 비용은 상승된다. NREL의 수석 과학자인 Howard Branz는 블랙 실리콘을 활용하면 이러한 경제성 구조를 개선 할 수 있다고 말한다. 일반적으로 무반사 코팅을 한 최상급 실리콘 계열 태양 전지라도 태양광의 약 3%를 반사한다. 이에 Branz 연구팀은 거의 반사가 없는 블랙 실리콘을 제조할 수 있는 저렴한 공정을 개발 중이다.

NREL에서 제작한 프로토타입 태양전지는 지금까지 보고된 블랙 실리콘 전지 중 가장 효율이 우수하다. 추가적인 무반사 코팅 작업 없이 표면을 검은색으로 코팅한 단결정 실리콘 전지는 태양광 전기 전환율이 16.8%이며 이 효율은 무반사 물질로 코팅한 전형적인 결정질 실리콘 태양전지와 유사한 결과이다. 블랙 실리콘 전지의 기존 전환율은 13.9%였다. 실리콘 웨이퍼의 표면을 처리할때 사용되는 진공 증착 공정(Vacuum-deposition Process)을 대체하기 위해 Branz 연구팀은 태양 전지판 제조공장의 온도 및 압력 조건하에서 현지 장비를 사용하여 수행할 수 있는 화학 공정을 개발하였다. 우선 과산화수소, 플루오르화 수소산(Hydrofluoric Acid), 염화금산(Chloroauric Acid) 용액이 든 용기안에 웨이퍼를 침수시킨다. 이때 용기안에 있는 소량의 금은 화학반응을 위한 촉매 역할을 한다. 정확하게 어떤 화학반응이 일어나는지 알 수 없으나 금 나노입자를 형성하도록 하여 웨이퍼에 다양한 깊이를 가진 나노구멍(Nanoholes)을 만든다. 이 공정에서 사용된 금은 다시 재활용 할 수 있다. 에칭 공정은 상온에서 3분 정도 필요하며 40도에서는 1분 이하가 소요된다. 이러한 공정을 거치면 표면위에 다양한 깊이의 작은 터널들이 형성되면서 블랙 실리콘 웨이퍼는 고도의 흡수성을 지니게 된다. 기공들은 빛을 반사할 정도로 날카롭지 않은 표면을 형성하며 터널의 길이는 어떤 파장의 빛과 상호 작용할 것인지 결정하기 때문에 다양한 터널 길이가 관건이다. 터널 길이의 다양한 변화로 광범위한 빛 스펙트럼을 포획할 수 있다.
NREL 이외에 다른 연구팀도 태양전지와 광학기기용 블랙 실리콘을 개발하고 있다. 그들은 실리콘 터널 반응을 만들기 위해 금속 입자들을 웨이퍼 표면에 위치시킨 다음 산을 투입하는 다단계 공정을 사용한다. SiOnyx사는 실리콘 표면에 작은 콘을 생성하기 위해 펄스 레이저(laser pulses)를 사용한다. SiOnyx사의 블랙 실리콘 제조 방법은 NREL과 다르지만 성능은 유사하다. NREL 연구팀은 진공 과정이 필요하지 않는 단일 액상 공정을 사용하며 에칭 과정에서 태양 전지를 세척하기 위해 공장에서 사용하는 용액용기로 블랙 실리콘 코팅을 수행할 수 있어 매우 경제적이라고 밝혔다. 연구팀은 이 공정 기술에 대해 특허출원을 신청하였다. GTB