중국의 박막 태양전지 발전 전망 분석
중국 정부는 최근 태양전지 산업 발전을 위한 ‘12차 5개년 계획(2011~2015년)’ 제정 작업을 적극 추진하고 있다. ‘12차 5개년 계획’ 기간에 ‘박막 태양전지(薄膜太陽電池, Thin Film solar cell)’와 ‘결정 실리콘 태양전지’의 발전 전망은 어떠한지, 중국의 미래 태양전지 기술 로드맵에서 ‘박막 태양전지’와 ‘결정 실리콘 태양전지’는 어떤 위치를 차지할 것인지는 향후 중국의 태양전지 산업의 발전 방향과 시장 발전을 결정하게 된다.
중국에서 향후 태양전지 산업을 발전시키는 면에서 ‘박막 태양전지’와 ‘결정 실리콘 태양전지’의 발전 전망에 대해 ‘중국 재생 가능 에너지 학회’ 산하 ‘태양 에너지 전문 위원회’ 우다청(吳達成) 부주임과 중국 ‘국가 발전 및 개혁 위원회’ 산하 ‘에너지 연구소’ 태양 에너지 전문가인 왕스청(王斯成) 연구원은 중국의 미래 태양전지 산업 발전 방향에 대해 “중국은 향후 ‘박막 태양전지’가 주요한 발전 방향으로 될 것이지만 ‘박막 태양전지’와 ‘결정 실리콘 태양전지’가 병존하는 상황이 지속될 것”이라고 전망하고 있다.
‘박막 태양전지’는 ‘비(非) 결정 실리콘 박막 전지/마이크로 결정 실리콘 박막 전지’, ‘CIGS 박막 전지’, ‘CdTe 박막 전지’ 세 가지로 분류된다. ‘박막 태양전지’ 기술의 전체적인 강점은 발전(發電) 원가가 ‘결정 실리콘 태양전지’보다 낮지만 태양 에너지의 전기 전환 비율이 낮고 안정성과 수명이 ‘결정 실리콘 태양전지’에 비해 낮은 단점이 존재하고 있다고 왕스청 연구원은 강조하고 있다.
‘비 결정 실리콘 박막 전지/마이크로 결정 실리콘 박막 전지’의 태양 에너지 전기 전환 비율은 낮을 뿐만 아니라 전환 비율을 향상시키는 기술의 어려움이 비교적 큰 상황에 처해 있다. ‘CIGS 박막 전지’는 원자재 가격 수준이 높고, ‘CdTe 박막 전지’는 태양 에너지의 전기 전환 비율은 높은 편이지만 재료의 원천과 안전성 한계로 대규모 양산이 어려운 단점이 존재하고 있다.
우다청 부주임의 설명에 따르면, ‘박막 태양전지’는 ‘결정 실리콘 태양전지’에 비해 1차적인 투자가 많은데 ‘결정 실리콘 태양전지’에 비해 2~3배가 높은 상황이라고 한다. 하지만 ‘결정 실리콘 태양전지’의 원자재인 ‘다(多) 결정 실리콘’의 생산 과정은 오염이 크고 에너지 소모가 큰 단점이 존재하고 있다고 한다. 그 외, ‘박막 태양전지’의 태양 에너지 전기 전환 효율이 전체적으로 ‘결정 실리콘 태양전지’에 비해 낮기 때문에 ‘결정 실리콘 태양전지’에 비해 ‘박막 태양전지’가 차지하는 토지 면적이 더 큰 상황이지만 에너지 절약형 건축의 옥상과 외부 벽에 설치하여 사용할 수 있다고 한다.
‘박막 태양전지’에 비해 ‘결정 실리콘 태양전지’는 기술이 더욱 성숙되고 안정적이고 태양 에너지의 전기 전환 비율이 더욱 높아 대형 태양광 발전 프로젝트를 실행하는 면에서 ‘결정 실리콘 태양전지’의 선호도가 더욱 높다고 한다. 특히 ‘다 결정 실리콘’ 가격이 폭락한 후 설치 등 요소를 감안하면 ‘결정 실리콘 태양전지’의 종합적인 발전 원가가 ‘박막 태양전지’에 비해 낮은 편이라고 한다.
현재 중국에서 ‘박막 태양전지’의 태양 에너지 전기 전환 효율은 평균 10% 수준에 달하여 ‘결정 실리콘 태양전지’의 태양 에너지 전기 전환 효율인 17%~20% 수준에 비해 낮은 상황이며 전기 판매 가격 면에서 ‘결정 실리콘 태양전지’의 전기 판매 가격은 W당 13~14위안 인민폐(약 1.9~2.1 달러) 수준에 달하고 ‘박막 태양전지’의 전기 판매 가격은 W당 10위안 인민폐(약 1.5 달러)에 달하고 있는 상황이다. ‘박막 태양전지’는 W당 전기 판매 가격 면에서 ‘결정 실리콘 태양전지’에 비해 낮지만 태양 에너지의 전기 전환 효율이 낮고 종합적인 원가가 ‘결정 실리콘 태양전지’에 비해 높은 상황이다.
향후 중국에서 ‘박막 태양전지’의 발전 전망이 밝을 것이며 ‘결정 실리콘 태양전지’와 병존하여 발전하게 될 것으로 전망된다. 기술 특성과 적용 범위 차원에서 보면, ‘박막 태양전지’와 ‘결정 실리콘 태양전지’는 상호 보완성을 가지고 있다고 한다. 중국 정부는 ‘국가 12차 5개년 계획’ 기간의 ‘태양전지 기술 로드맵’을 아주 상세히 제정하지 않을 것이며 ‘박막 태양전지’와 ‘결정 실리콘 태양전지’는 기술 발전과 시장 수용 정도에 따라 병존하고 병행해서 발전하는 트랜드를 나타낼 것으로 전망된다. GTB

나노사이즈 구멍이 배열된 고효율 실리콘 태양전지
Beijing Normal University(BNU)의 Qing Peng과 The City University of Hong Kong(CUH)의 Shuit-Tong Lee가 이끄는 연구팀은 500-600 나노미터 크기의 작은 구멍들을 포함하는 새로운 구조의 태양광 전지(Nanohole Geometry Solar Cell)를 개발했다고 한다. Nanohole Geometry Solar Cell로 이름 붙여진 이 새로운 구조의 태양전지는 9.5%의 광전변환 효율을 지니며 이는 기존의 실리콘나노와이어 또는 실리콘 나노튜브를 이용한 태양전지 보다 월등히 높은 수치다. 실리콘 나노와이어 또는 나노튜브를 이용한 태양전지의 경우 일반적으로 5% 정도의 광전변환 효율을 갖는다. BNU와 CUH의 연구팀의 이 연구는 ‘Journal of the American Chemical Society’에 개제되었다.
연구원들에 따르면 Nanohole Geometry는 실리콘 나노와이어 보다 높은 광흡수율은 물론 실리콘 나노와이어 또는 실리콘 나노튜브를 이용한 태양전지에 비해 우수한 기계적 특성을 가진다고 한다. 실리콘 나노와이어 및 나노튜브를 이용한 태양전지의 경우 깨지기 쉬운 특성을 가지고 있으며 이는 나노와이어 또는 나노튜브를 이용한 태양전지 생산에 큰 걸림돌이 되고 있다. “Nanohole Geometry Solar Cell은 실리콘 나노와이어를 이용한 태양전지에 비해 외부의 충격에 강할 뿐 아니라, 높은 광흡수율을 가지는 것은 물론 방사형 구조로 형성된 P-N 접합을 가지기 때문에 더욱 효과적으로 입사된 빛을 전력으로 변환할 수 있습니다.”
본 연구의 책임자인 Shuit-Tong Lee는 이야기 했다. Nanohole Gemetry Solar Cell은 높은 에너지 변환효율은 물론 경제성까지 갖추고 있다. Nanohole Cemetry Solar Cell을 개발한 BNU와 CUH의 과학자들은 태양전지 표면에서 일어나는 반사에 의해 소실되는 빛의 양을 최소화 하기위한 표면처리기술과 전기적 접촉 개선기술을 Nanohole Cemetry Solar Cell에 적용하여 더욱 높은 효율의 Nanohole Cemetry Solar Cell을 개발하는 계획을 세우고 있다고 한다. “표면처리 및 접촉개선 기술의 적용할 경우 현재보다 낮은 품질의 실리콘과 적은 실리콘 사용량으로도 고효율의 Nanohole Cemetry Solar Cell을 제작할 수 있습니다.” Lee는 이야기 했다. “이러한 장점들에 힘입어 Nanohole Cemetry Solar Cell은 기존의 웨이퍼기반 태양전지를 대체하는 것은 물론 화석연료보다도 경제적인 에너지원으로 자리매김 할 수 있을 것으로 생각합니다.” ACB

주사전자현미경으로 촬영한 Nanohole Gemetry의 평면 (a),(b),(c)과 절단면 (d)이미지

태양 전지의 효율을 증가시키는 나노입자 배열을 대용량으로 제조하는 기술 개발
차세대 에너지원으로 태양 전지에 대한 연구를 시작한 것은 최근의 일이 아니지만, 국제유가 급등과 에너지 고갈이 현실화됨으로 인해, 최근 2~3년간 태양 전지에 대한 연구가 급격히 증가하고 있는 것이 사실이다. 태양 전지를 제조하는 것은 기술적으로는 어려운 일이 아니지만, 보다 낮은 가격에 높은 효율을 제공하는 것이 가장 큰 이슈이며 이를 위해 다양한 기술들이 연구 개발되고 있다.
특히 태양 전지의 효율을 높이기 위하여 표면적을 넓히기 위한 연구가 많이 수행되고 있는데, 이를 위해 나노 물질을 이용한 나노기둥(nanopillar) 제조 기술이 Stanford University의 Yi Cui 교수팀에 의해 발표된 바 있고, 이를 이용하여 다양한 물질을 이용한 태양 전지를 제조하여 효율이 증가한다는 것을 여러 논문에서 보여주어 왔다.
최근 이와 관련하여, 보다 쉽게 나노 입자를 분포시킬 수 있는 연구 방법이 Yi Cui 교수팀에 의해 발표되어 이를 소개하고자 한다. 이 연구는 “Fast and Scalable Printing of Large Area Monolayer Nanoparticles for Nanotexturing Applications”이라는 제목으로 발표되었다.
이번 연구에서 연구팀은 실리카(SiO2) 나노입자를 보다 쉽고 빠르게, 저렴한 가격으로 대용량으로 배열할 수 있는 방법을 소개하고 있고, 이러한 방법으로 제조한 실리콘 위의 실리카 표면에서 흡광 특성이 향상됨을 실험적으로 증명하고 있다.
아래그림에는 연구팀이 실리카 나노입자를 배열하는 방식에 대한 모식도와 함께 실제 SEM 이미지들이 나타나 있다. Yi Cui 연구팀에서 기존에 발표한 방법인 LB를 이용했을 때에 비하여 균일성이 다소 낮아지긴 했지만, 전체적으로 충분히 균일하고 무엇보다 제조 방법이 매우 간단하고 빠르다는 것이 큰 장점이라는 것을 알 수 있다.
이번 연구는 차세대 태양 전지에서 보다 낮은 가격으로 효율을 높일 수 있는 방법을 제시한 것으로 앞으로 실용적인 산업에의 응용에 매우 중요한 결과라고 할 수 있다. 제조 방법 자체는 매우 간단한 개념을 바탕으로 하지만, 다양한 조건하에 실험을 하여 최적의 환경에서 실리카 입자들이 배열될 수 있도록 기술을 개발했다는 점에서 큰 의미가 있다. 앞으로 이를 이용한 실제 태양 전지들이 많이 등장할 것으로 기대된다. GTB

결정 실리콘 태양전지에 적합한 폴리올레핀계 봉지재 개발
대일본인쇄 주식회사(DNP : Dai Nippon Printing)는 주로 결정 실리콘 태양전지에 적합한 폴리올레핀(polyolefin)계 봉지재를 개발했다. 본 제품은 기존 제품이 가지는 높은 수증기 장벽과 산성 가스를 발생시키지 않는 화학적 안정성은 물론 높은 투명성과 저온에서 고온까지의 넓은 온도 범위에서 뛰어난 유연성을 가지며, 내열성을 가져 결정계 태양전지에 적합하다.
태양전지의 주요 부재인 봉지재는 태양전지 셀이나 집전 배선을 고정해, 표면의 유리와 이면의 백시트를 접착해 외부 환경으로부터 태양전지를 보호하는 시트재료로서 높은 내후성과 장기간에 걸치는 신뢰성이 요구되며, 소재는 주로 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트)가 사용되고 있다.
DNP는 2003년부터 수증기 장벽이나 산성 가스를 발생시키지 않는 화학적 안정성이 뛰어난 폴리올레핀(polyolefin)을 소재로 한 봉지재를 업계에 최초로 실용화했다. 폴리올레핀 봉지재는 주로 박막 실리콘 및 화합물계 태양전지에 폭넓게 채용되어 왔다.
최근 비용 절감을 목적으로 결정 실리콘 태양전지에 사용하는 결정 실리콘을 얇게 만드는 경향인데, 얇은 실리콘은 분열이나 크랙이 일어나기 쉽기 때문에, 봉지재를 두껍게 함으로써 이를 방지해야 한다. 이번에 폴리올레핀(polyolefin)이 기존에 가졌던 특징은 유지하면서, 저온에서 고온까지의 폭넓은 범위에서 유연성을 가지는 폴리올레핀(polyolefin)계 봉지재 “CVF1”을 개발, 주로 결정 실리콘 태양전지용으로 제공하게 된다. 저온(0℃ 이하)에서의 유연성이 뛰어난 특징에 의해, 셀의 슬림화, 봉지재의 박막화를 위한 이용을 기대할 수 있다.

[개발 기술의 특징]
1) 저온에서의 온도 변화시 수축 응력이 EVA의 50% 정도로 작고, 저온에서의 유연성이 우수하다.
2) 일반적인 EVA를 사용한 제품의 경우, 필름과 셀, 유리를 붙여 맞추는 진공 프레스 후에 수지의 분자 결합을 강하게 하는 가교를 일으키기 위한 “경화 공정”이 필요한데, 개발된 제품에서는 불필요하다. 그 때문에 태양전지 모듈 메이커의 제조 시간 단축과 제조비용의 삭감이 가능하다.
3) 충분한 내열성을 가진다.
4) 전광선 투과율이 92%로 EVA와 동등한 태양광 투과성을 가진다.
5) 배선이나 제조 장치 등 부식의 원인이 되는 산성 가스가 발생하지 않는다.
6) 미가공 상태에서의 품질 유지 기한은 미개봉 상태인 경우 상온에서 18개월간으로 EVA와 비교해 약 3배의 장기간 보관이 가능하다.
7) EVA 대비 약 10배의 수증기 장벽이 있기 때문에 태양전지의 기능 저하를 일으킬 우려가 있는 수증기로부터 보호한다.

[향후 대응 방안]
DNP는 일본, 중국, 유럽, 북미의 태양전지 모듈 메이용으로 판촉을 실시, 2012년도에 50억엔의 매출을 목표로 한다. 또한, 백시트에 대해서도 결정계 태양전지에 이용되는 불소 수지 필름을 사용한 타입의 라인업을 확충하고 있다. GTB

Caltech - 태양광 전지의 효율을 획기적으로 높여줄 메타물질 개발
Harry Atwater가 이끄는 Caltech의 연구원들은 가시광선 영역의 빛의 방향을 원하는 방향으로 굴절시킬 수 있는 메타물질(Metamaterials)을 개발했다고 한다.
연구팀에 따르면 그들이 개발한 매타물질은 다양한 입사각과 편광방향을 갖는 빛을 원하는 방향으로 휘어지게 하는 특성을 지닌 물질로 가시광선영역에서 음의 굴절률을 가지는 최초의 물질이라고 한다.
“빛의 진행방향을 원하는 대로 조절할 수 있는 메타물질의 기이한 특성은 다양한 분야에 매우 유용하게 응용될 수 있습니다. 태양전지에 적용될 경우 입사되는 빛의 반사에 의한 손실을 최소화함으로서 태양전지의 광전변환 효율을 극대화 할 수 있을 뿐 아니라 빛의 방향을 바꾸는 특성을 이용하여 동화에서나 나올법한 투명 망토를 제작할 수도 있습니다.”
현재 Atwater가 이끄는 연구팀의 주 관심사는 메타물질을 태양전지에 적용하여 태양전지의 효율을 극대화 시키는 것이다. Atwater의 연구팀은 반사방지막과 산란입자가 코팅된 실리콘 나노와이어를 이용하여 기존의 태양전지에 비해 높은 광흡수율을 가지는 3D 태양광 전지를 제작하였으며 현재 3D 태양전지에 메타물질을 적용하는 연구를 진행하고 있다.
이는 Atwater의 연구팀이 태양전지의 효율 증대를 위해 2가지 기술적 방안을 적용하고 있음을 보여주는 것으로 그 첫째는 태양전지의 광흡수율을 높여 태양전지의 효율을 높이는 것이고 둘째는 메타물질을 이용, 태양전지로 입사되는 빛의 양을 증대시켜 효율을 높이는 것이다. Caltech의 Atwater연구팀 이외에도 많은 과학자들이 음의 굴절률을 갖는 메타물질의 개발을 위한 연구를 진행하고 있다. 하지만 Atwater의 연구팀은 다른 연구팀들과는 다른 좀 더 단순한 접근방식을 채택하고 있다. Atwater의 연구팀은 Plasmonic 물질에 단일 층의 은(Silver)을 담그는 방식으로 메타물질을 만든다.
이렇게 만들어진 메타물질은 물질에 입사된 빛의 경로를 조절한다. 연구팀의 일원인 Stanley Burgos는 “우리가 개발한 메타물질이 다양한 입사각과 편광방향을 갖는 빛을 원하는 방향으로 휘어지게 할 수 있는 특성을 가진다.”고 이야기 했다. “우리 연구팀은 메타물질을 섬세하게 조작하여 동일한 물질의 가시광선영역 굴절률을 원하는 값으로 변화시킬 수 있었습니다.” Burgos는 설명했다.
“우리가 개발한 메타물질이 조절 가능한 굴절률을 가질 수 있다는 사실은 이 물질을 태양전지의 효율증대를 위해 사용할 수 있음을 의미합니다. 메타물질을 이용하면 다양한 각도에서 입사되는 빛을 모두 활용할 수 있는 태양전지를 만들 수 있습니다.” Atwater는 이야기 했다. “메타물질이 적용된 3D 태양전지는 사방에서 들어오는 모든 빛을 흡수 할 수 있기 때문에 기존의 태양전지를 사용할 경우 버려지는 모든 빛을 전기로 변환시킬 수 있습니다.”

메타물질은 다양한 입사각과 편광방향을 갖는 빛을 원하는 방향으로 휘