태양전지 : 값싸게 만드는 화학
실리콘 기판들에 비해 유기물 화합물로 만들어진 광전지들이(Photovoltaic cells) 태양 에너지 산업을 새롭게 변화시키고 있다. 유기물 태양 전지들은 용액을 이용하여 만들어 졌기 때문에 휘기 쉬운 기판들 (박막 또는 섬유) 위에 이 유기물이 들어있는 잉크나 페인트 등을 이용하여 손쉽게 뿌려 만들어질 수 있다. 이 특성들은 태양 에너지를 이용하는 옷이나 창문 코팅 등 매력적인 새로운 응용 상품들을 제작할 수 있는 길을 열었다. 뿐만 아니라 과학자들이 용액들 안에서 적합한 방법으로 고효율 태양 에너지 전환 효율을 가지는 유기물을 찾을 수 있다면 이러한 일들은 충분히 가능한 일들이다.
싱가포르 A*STAR 재료공학 연구소의 Prashant Sonar와 동료들은 유기물 태양 전지를 생산하기 쉽고 값이 싸게 만들 수 있게 해 주는 diketopyrrolopyrroles(DPPs)라고 불리는 재료들을 기본으로 새로운 분자들을 합성했다. 이 새로운 화합물들은 유기물 광전소자에서 플로렌(fullerene, 작은 축구공처럼 생긴 구형의 하이드로 카본) 기반의 전자 수송 물질들을 대체하기 위한 물질이다. 플로렌들은 최상의 전자 억셉터들인 반면, 그들의 독특한 구조들은 그들을 신뢰할 수 있고 값싸게 생산하는데 방해가 되고 있다. 태양광 에너지 포획에 이용되는 실리콘 기판들은 값싸고 신뢰성 있게 만들어 질 수 있는 유기물 분자들에 의해 신속히 대체될 것 있을 것이다.
효율적이고 용액 친화적인 물질에 대한 탐색은 Sonar와 그의 팀을 오각형 방향족 링들과 황, 질소, 산소의 기능 그룹으로 이루어진 분자인 DPP로 이끌었다. 이 화합물은 용매에 대한 친화성이 개선되어 쉽게 수정될 수 있는 전자 친화적인 공유 구조를 가지고 있다. Sonar는 “이 물질들이 자외선, 적외선, 근적외선 영역들 안에서 강한 흡수율을 가지고 있으며 손쉬운 합성, 적절한 에너지 레벨들, 용매에 따른 형태들과 기대되는 전하전달 특성 때문에 이론적으로 이 물질들은 유기물 광전지의 높은 효율을 달성할 수 있도록 해 줄 것이다.”고 말했다.
유기물 분자들을 이용하여 광자를 전기로 전환시키는 것은 벌크 헤테로 접합 (BHJ) 전지들로 알려진 소자들의 제작이 필요하다. 이런 구조 안에서 전자를 나누어 주는 물질들은 전기회로로 만들어진 각각의 전극들 쪽으로 빛으로부터 생성된 전하들을 분해되거나 전달할 수 있게 하기 위해 업셉터들과 함께 섞이게 된다. BHJ 소자들을 위한 DPP의 에너지 레벨들을 개선하기 위해 Sonar와 그의 동료들은 중앙 링들의 각 측면 위에 불소기반의 억셉터 원소들을 더함으로써 구조를 개선했다. 다수의 합성 단계들만으로 용액 가공에 적합한 향상된 광학 능력을 가진 작은 분자들이 생산된 것이다. 새로운 DPP 유도 분자들을 이용하여 구동하는 BHJ 전지들은 지금까지 DPP 기반 전자를 허용하는 유기 반도체에 대한 보고 중에서 가장 큰 1% 이상의 전력 전환 효율과 빛의 주파수 영역을 넘는 기능을 선보였다. 이 발견이 태양광 산업을 변화시키는 위대한 출발로 믿는 Sonar는 “이 물질들은 높은 생산성을 가지고 큰 규모로 생산될 수 있고 전환 효율을 개선하기 위해 구조적 변형을 가할 수 있는 다수의 가능성을 가지고 있다.”고 말했다. GTB

태양전지 출력 4% 향상
유리의 반사, 오염 방지 코팅제 개발
旭化成이메터리얼즈(東京都 千代田區, 사장 山添勝彦)은 태양전지의 표면 유리에 바르기만 하면 태양전지의 출력을 높일 수 있는 코팅제를 개발했다. 유연성 있는 유기물과 친수성이 높은 무기물을 독자 개발로 배합한 복합재료를 사용하는 등으로 태양전지의 출력이 방사방지기능에서 약 1%, 방오기능에서 약 3% 향상한다는 것을 확인했다. 현재 진행하고 있는 최종적인 평가실험으로 두 기능에서 합계 4%의 출력향상을 확인할 수 있게 되는대로 사업화할 방침.
旭化成이메터리얼즈는 반사방지와 방오의 두 가지 기능을 동시에 실현했을 때 출력향상의 이론값 약 4%를 달성할 수 있느냐 아니냐를 폭로실험(暴露實驗)하고 있다. 실증이 되면 연간 10메가와트의 태양광 발전 플랜트에 사용했을 때, 연간 약 2000만 엔의 원가를 삭감할 수 있으리라고 시산하고 있다.
방오기능은 건조지역으로 모래먼지가 많은 스페인의 말라가 대학에서 폭로실험을 실시한 결과, 최대 3%개선한다는 것을 확인했다. 코팅제의 도포로 두께 1마이크로미터 미만의 막이 생긴다. 친수성이 높기 때문에 비 등이 내리면 코팅제 위에 수막이 생기고, 수막이 태양전지에 부착된 오염을 들뜨게 하여 떨어뜨린다. 일반적으로 태양전지의 표면이 더러워지면 연간 몇%의 출력이 저하된다고 한다. 한편, 방사방지기능은 바르기만 하면 태양광의 투과율이 높아져서 출력을 약1% 향상한다는 것을 일본에서 확인했다. 코팅제는 액체로 일반적인 도공기계를 이용할 수 있다. 비밀유지계약을 체결한 뒤에 샘플을 공급한다. 일간공업

중국의 태양에너지를 이용한 냉방 에어컨 연구 개발
중국은 태양에너지 자원이 매우 풍부한 나라로서 2/3 이상 지역은 태양에너지를 이용할 수 있는 이상적인 조건을 보유하고 있다. 중국 경제 발전과 국민들의 생활수준이 향상됨에 따라 에어컨에 대한 수요량이 점점 더 증가되고 있다. 호텔, 오피스텔, 병원 등 일반 민수용 건축물의 에어컨 사용으로 인한 에너지 소모는 전체 에너지 소모량의 50% 이상을 차지하고 있어 에너지, 전력(電力)과 환경 분야에 큰 압력을 조성하고 있다. 전력(電力) 산업의 발전(發展)은 폐기 물질 배출, 온실 효과, 산성비 등 환경 문제를 발생시키고 있으며 에어컨의 냉방제(CFC8)는 대기(大氣) 오존층을 파괴하고 있다. 때문에 외국이든 중국이든 모두 태양에너지를 이용한 에어컨 연구 개발에 높은 비중을 두어왔다.
태양에너지를 이용한 냉방 에어컨은 주로 두 가지 방식이 있는데 하나는 태양 빛을 전력(電力)으로 전환한 후 전력을 사용하여 일반 ‘압축식 냉방기’를 통해 냉방 효과에 도달하는 방식이고, 다른 하나는 태양 빛을 열(熱)로 전환하여 열에너지를 이용하여 냉방 효과에 도달하는 방식이다. 첫 번째 방식은 시스템이 비교적 간단하지만 현재의 가격으로 계산할 경우, 원가가 두 번째 방식 3~4배에 달한다. 때문에 국내외적으로 태양에너지를 이용한 냉방 에어컨 시스템은 지금까지 주로 두 번째 방식을 위주로 연구 개발하고 있는 상황이다.
태양에너지를 이용한 냉방 에어컨 연구 개발은 다양한 지역의 기후 특징, 다양한 사용 요구에 근거하여 ‘주동식 냉방과 피동식 온도 감소를 결합시키는 기술 조치’ 등 종합적으로 다양한 기술 조치를 통해야만 응용할 수 있는 상황이다.
중국은 태양에너지를 이용한 냉방 에어컨 연구 개발 면에서 약 20년에 달하는 실험 연구와 기술 개발을 지속적으로 추진해 왔다. ‘중국 건축 과학 연구원’ 산하 ‘에어컨 연구소’, ‘시안(西安) 교통대학’, ‘시베이(西北) 공업대학’, ‘상하이(上海) 교통대학’, ‘중국 과학기술대학’, ‘난징(南京) 대학’, ‘화난(華南) 이공대학’, ‘중국과학원’ 산하 ‘광저우(廣州) 에너지 연구소’, ‘베이징(北京) 우주항공 및 항공 대학’, ‘칭화(淸華) 대학’ 등 대학과 연구 기관에서는 장기간 태양에너지를 이용한 냉방 에어컨 핵심 기술에 대한 연구 개발을 지속적으로 추진하여 왔다.
중국은 약 20년에 달하는 연구 개발을 지속적으로 추진하여 태양에너지를 이용한 냉방 에어컨 연구 개발 및 응용 분야에서 중대한 성과를 달성하였으며 부분적인 응용 기술은 실용화 단계에 들어간 상황이다. 하지만 부분적인 기술면에서 여러 가지 문제점들도 존재하고 있는 상황이다.
중국에서 태양에너지를 이용한 냉방 에어컨 기술의 발전은 열수(熱水), 건조, 온실 등 저온 열 이용에서 시작하여 점차 고온 및 냉방, 발전(發電) 등 기술이 복잡한 분야로 발전하였다. 중국의 경제 발전과 전체적인 기술 수준이 향상됨에 따라 태양에너지를 이용한 냉방 에어컨을 발전시키는 조건과 시기가 이미 성숙되었고 발전 속도도 빨라지고 있는 상황이다. 중국의 태양에너지를 이용한 열수기(熱水器)의 성공적인 발전은 태양에너지를 이용한 냉방 에어컨의 대규모 산업화 발전을 위해 좋은 경험을 제공해 주었다. 중국은 태양에너지를 이용한 열수기가 이미 개척한 성숙된 대 시장(大市場)에 의존하고 열수(熱水) 응용을 기반으로 하고 에어컨 종합 이용을 결합시키게 되면 태양에너지를 이용한 냉방 에어컨은 중국에서 밝은 응용 전망을 가지게 될 것이다. GTB

실리콘 양자 도트 태양전지
개방전압 세계 최고치 변환효율 향상
東京工業大學의 小長井誠교수 등은 실리콘의 미세한 결정인 양자도트를 사용한 박막 태양전지를 개발, 태양전지에 아무 것도 연결하지 않고 빛을 조사했을 때의 전압(개방전압)에서 세계 최고치를 기록했다. 빛을 전기에너지로 바꾸는 태양전지의 변환효율의 향상에 기여한다. 시작(試作)한 소자의 효율은 0.1%정도로 세계 최고수준이라고 한다. 東海大學(新奈川縣 平塚市)에서 열린 「응용물리학 관계 연합강연회」에서 발표했다.
개발한 것은 발전층에 직경 몇 나노미터의 실리콘 양자 도트를 사용하는 차세대 태양전지. 시작 소자의 개방압력은 518밀리볼트로, 호주의 연구팀이 제작한 종래의 492밀리볼트를 상회했다. 태양전지의 변환효율은 개방전압과 전류값 등의 곱으로 산출하므로 효율의 대폭적인 향상으로 이어진다.
플라즈마 화학기상성장(CVD)법을 사용하여, 비정질의 탄화규소(SiC)막을 제작하는 독자의 방법으로 실리콘 양자 도트의 입경을 제어하고 적층화한다. 이번에 실리콘 양자 도트를 둘러싼 SiC층에 산소를 첨가함으로써 SiC의 결정화를 억제하여 전기전도성을 개선하는데 성공했다. 일간공업

태양전지를 위한 다기능성 스프레이 코팅 기술
실리콘 태양 전지는 고가이고 복잡한 생산 프로세스를 가지고 있어서 대안적인 광발전 기술의 개발이 세계 각지의 과학자에 의해서 진행되고 있다. 폴리머 태양 전지는 실리콘 기반의 장치에 비해서 가볍고, 저렴하고, 플렉서블하고, 분자 수준에서 디자인할 수 있고, 친환경적이다. 이러한 폴리머 태양 전지는 너무나 작고 유연해서 물리적 구조 위에 페인팅될 수 있는데 이로 인해서 빌딩의 문이나 벽에서 전기를 생성시킬 수 있을 것이다.
스핀 코팅(sping coating)은 고분자 전자 소자를 만드는 데 매우 유용한 기술이다. 그러나 이러한 스핀 코팅 방법을 이용해서 대량 생산하기 위해서는 많은 어려움이 남아 있다. 이러한 문제들을 해결할 수 있는 새로운 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다.
스프레이 코팅(spray coating)은 상당히 간단한 프로세스로 구성되어 있고 대면적의 균일한 폴리머 박막을 만들 수 있다. 스프레이 코팅은 서로 다른 표면 형상을 가진 일련의 구조를 코팅할 수 있는 고속, 대면적 증착 기술이다. 스프레이 코팅 시스템에서, 잉크는 압력 또는 초음파에 의해서 노즐에서 분무되고 가스 상태로 기판에 직접 부착된다.
폴리머 태양 전지를 제조하기 위한 기존 기술의 결함은 상 분리 프로세스(phase separation process)와 후처리에 매우 의존한다는 것인데, 이것은 폴리머 박막 형상에 따라서 단지 제한적인 제어를 가진다는 단점이 있다. 최근에 이러한 스프레이 코팅 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술이 UCLA 연구진에 의해 개발되었다. 연구진은 스프레이 코팅 기술로 고분자 박막을 대량 생산할 수 있는 새로운 공정 개발에 성공했다. 스프레이 코팅 기술은 빠른 공정 속도와 넓은 면적에 증착할 수 있다는 장점이 있다. 또한 다양한 형상을 가진 기판에 증착을 할 수 있다.
폴리머 태양 전지의 활성 층의 제조에는 벌크 헤테로접합을 형성하기 위한 폴리머 혼합 용액의 상 분리 프로세스를 일반적으로 사용한다. 연구진은 폴리머 박막 형상을 제어할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 기술에서 가장 중요한 개념은 적층 증착의 특성과 유사한 나노도메인 네트워크를 만들기 위해서 도너/어셉터 층을 교번시킨다는 점이다. 선택적 용해성을 가진 용매로부터 도너/어셉터 물질을 증착시키는 이런 능력은 어떠한 후처리 없이 잘 정렬된 도메인을 형성할 수 있게 한다. 교번 스프레이 증착은 물질의 독특한 성질과 관계없이 다성분 박막을 형성할 수 있게 하는데 이것은 다양한 재료 시스템에 적용할 수 있다.
폴리머 형상은 유기 전자장치의 광학적 및 전기적 성질과 폴리머 태양전지의 변환 효율을 결정하는데 중요하다. 분리는 폴리머 전자장치의 다중층 증착을 위한 제한적인 요인이다. 최근 연구에서, 연구진은 이중층 다중접합 구조(tandem structure)와 광자를 재활용할 수 있는 다성분 활성층을 만들 수 있는 기술을 개발했다. 교번 스프레이 증착 기술은 하부 박막의 구조적 무결성을 유지하게 하고 상호연결층 없이 이중층 다중접합 전지와 같은 다층 박막을 증착할 수 있게 한다.
이번 연구진에 의해서 폴리머 태양 전지가 증명되었다. 연구진은 교번 증착 방법을 사용해서 전하 수송 및 수집을 촉진할 수 있는 수직 구조를 만들었다. 또한 도너 및 어셉터를 위한 최적의 용매를 선택함으로서, 잘 정렬된 도메인에서 불충분한 결정성을 가진 폴리머 시스템을 만들었다. 이 연구결과는 저널 ACS Nano에 “Multi-Source/Component Spray Coating for Polymer Solar Cells” 이라는 제목으로 게재되었다. GTB

수상(樹狀) 도금기술로 신형 태양전지 셀
투명전극 불필요, 사이즈 자유자재
이멕스(大阪府 吹田市, 사장 瀨和信吾)와 九州大學은 독자의 수상 도금기술을 이용하여 수지 시트 안에 태양광 발전용 부품 「플렉스 솔라 셀」의 시작에 성공했다. 고가의 투명전극을 사용하지 않고 롤투롤법으로 큰 면적, 플렉시블한 필름상 태양전지의 양산이 가능하리라 생각된다. 이멕스와 九州大學은 계속해서 실용화를 위해 협력한다. 종래의 색소증감형이나 벌크헤테로형 유기태양전지는 전극 위에 광전변환 시스템을 층상으로 쌓아올리는 방법이지만, 신형 셀은 태양전지 프레임이 되는 수지 시트 안에 미리 전극대(電極對)를 형성. 화학조작으로 시트 안에 광합성 반응에 관련한 전자 릴레이계(系)를 조합하여 광전변환 시스템을 구성하므로 셀의 형상과 사이즈를 자유롭게 설계할 수 있다.
셀 기재는 이온 교환 수지 시트로 특수한 기판이 필요치 않으며, 시트 양쪽 표면에 무전해 도금으로 수상 나노 구조의 금속전극을 형성한다. 전해질로서 고체의 이온교환수지를 상용하므로 내구성이 크게 향상된다.
이온교환수지 속의 전극은 표면적이 평평한 판의 1만 배에 달하여 광전변환 사이클을 대폭 촉진한다. 또 금속 도금은 전극 및 집전체로서 기능하여 태양광의 이용률을 제한한다. 일간공업

중국, 물리적 공법을 이용한
태양에너지급 폴리실리콘 규모화 생산 라인 구축
최근 세계 최초로 태양에너지급 폴리실리콘(polysilicon)을 생산의 전체 과정에 완전 물리적 공법을 채용하여 생산할 수 있는 라인(이하 ‘폴리실리콘 생산 라인’)이 중국 허난성(河南省) 난양시(南陽市) 팡청샌(方城縣) 신에너지산업단지에 구축되었다.
이는 첫 완전 물리 공법을 이용하여 태양광발전 시스템에 사용할 수 있는 전용 폴리실리콘을 생산하는 공법으로, 이 공법은 독자적인 지적재산권을 확보하고 있으며 지금까지 세계적으로 태양광발전 산업에 전문 사용되는 폴리실리콘 공업생산 기술이 없던 공백을 메운 것으로 분석되고 있다.
이번 ‘폴리실리콘 생산 라인’이 구축됨에 따라 연간 1,800톤에 달하는 태양에너지급 폴리실리콘을 생산할 수 있는 규모가 형성되었다. 이에 따라 이번 ‘폴리실리콘 생산 라인’은 장기간 국내외 태양광 업계에서 태양광발전에 전문 사용되는 실리콘 소재가 부족한 문제를 해결하는데 큰 도움이 될 것으로 전망된다.
폴리실리콘은 태양광발전 시스템에 사용되는 핵심 소재이다. 그러나 지금까지 태양광발전이 대규모적으로 보급되지 못하는 주요 요인은 폴리실리콘의 제조 원가가 높은데 있다. 이번에 구축된‘폴리실리콘 생산 라인’에 의해 생산된 폴리실리콘의 에너지 소모는 전통적인 지멘스(Siemens) 공법에 비해 1/3 밖에 되지 않는 것으로 나타나고 있어 폴리실리콘 생산 원가를 대폭적으로 낮출 수 있다. 때문에 태양광발전의 대규모적인 보급과 기술 지원에 큰 도움이 될 것으로 분석된다. 뿐만 아니라 완전 물리 공법 이용한 ‘폴리실리콘 생산 라인’은 전통적인 공법에 비해 환경오염을 감소시키는 것으로 나타났다. SiCl4·HCl 등 유독 물질과 공업 폐수가 배출되지 않으며 생활 오염수 경우 100% 회수하여 녹화에 사용할 수 있기 때문에 오염수 배출 ‘제로’를 실현할 수 있다.
관련 전문가의 설명에 따르면, ‘폴리실리콘 생산 라인’개발 성공은 태양에너지급 폴리실리콘 기술 분야에서의 중대 성과로 평가를 받고 있으며 세계적으로 태양광산업을 겨냥한 폴리실리콘 공업기술어 없던 공백을 메웠다. ‘폴리실리콘 생산 라인’의 대규모적인 응용은 국내외 태양광발전에 전문 사용되는 소재 부족 문제를 해결하게 될 뿐만 아니라 그리드 패리티(parity)를 실현할 수 있는 기반이 마련될 것으로 전망된다.
한편, ‘폴리실리콘 생산 라인’을 연구 개발한 고우원슈(高文秀) 박사는 2003년에 일본에서 귀국한 후, 중국에서 물리 공법을 이용한 폴리실리콘 제조 연구 작업에 착수했고. 2005년에 중국 과학원 원사 겸 중국과학원 상하이(上海)기술물리연구소 추쥔하우 연구팀에 합류하게 되면서 물리 공법을 이용한 폴리실리콘 제조 연구는 더욱 탄력을 받게 되었다.
복수의 관련 전문가들은 “‘폴리실리콘 생산 라인’구축은 물리공법을 이용하여 태양에너지급 폴리실리콘을 추출할 수 있다는 것을 입증한 사례”라고 지적하면서 “향후 지속적으로 이 분야에서의 기술적 보완을 추진하면 좋을 결과가 창출될 것”이라고 전망했다. 현재 중국과학원 상하이기술무리연구소는 물리공법을 이용한 태양에너지급 폴리실리콘 생산 기술에 대한 심층 연구 개발을 추진하고 있다. GTB