산화주석으로 만든 반도체
태양전지 효율 향상, 반사광을 유효 활용
東京工業大學의 細野秀雄 교수 등은 대규모 집적회로(LSI)와 태양전지에 사용할 수 있는 산화주석의 새로운 반도체를 개발했다. 대표적인 실리콘으로 만든 반도체와 마찬가지로 LSI의 구성이 필요한 n형과 p형 양쪽을 만들 수 있다. 태양전지의 에너지 변환효율을 높일 수 있는 전기특성도 갖는다. 투명하므로 디스플레이의 화상제어용에도 사용할 수 있는 등, 폭넓은 응용이 기대되고 있다.
細野교수 등은 산화주석에 안티몬을 첨가하여 전자가 마이너스 전하를 운반하는 n형을 만드는데 성공했다. 산화주석에 대해서는 이미 홀이라고 불리는 구조가 플러스 전하를 운반하는 p형의 성질을 보이고 있다. 따라서 p형과 n형의 양쪽을 사용하여 LSI에 필요한 기본구조인 p-n접합을 시작하여 소자로서 동작한다는 것을 확인했다.
또한 태양전지로서 기능하는데 필요한 전기특성인 밴드갭이 실리콘의 약 2배라는 것을 알았다. 실리콘 태양전지 위에 산화주석 반도체를 얹으며 지금까지 반사만 될 뿐 소용이 없었던 파장의 빛을 사용할 수 있다. 크게 빨강, 근적외선의 빛을 전기로 바꾸기 쉬워져 에너지 변환효율을 높일 수 있으리라 보고 있다. 일간공업

염료 감응형 태양전지의 효율 향상
TiO2:Eu3+ 나노로드 (나노미터 사이즈의 막대기)는 염료감응형 태양전지 (DSSC-Dye Sensitized Solar Cells)의 전극으로 사용될 수 있다. 이 나노로드를 사용한 태양전지를 공정, 그 효율을 평가했다. 빛을 전기 에너지로 바꾸는 효율은 8%, 93.7 %의 양자효율을 관찰할 수 있었고, 이는 Eu3+ 이온에 의한 발광과정을 통해 자외선 집광 효율이 향상되고, TiO2에 의한 빛의 산란현상이 증가해 높은 효율을 낼 수 있는 것으로 분석되었다.
기본적인 염료감응형 태양전지 (DSSC)는 평탄한 상전극과 전해액 그리고 입사광 흡수를 위한 (염료에 의해 감응된) TiO2 (티타늄 산화막)으로 만들어진 전극으로 이루어진다. 따라서 TiO2 박막은 DSSC의 효과적인 동작을 위해 핵심요소가 된다. sol-gel로 증착된 Porous TiO2 박막은 ~7%정도의 효율을 보이고, Hydrothermal 방법에 의해 산란층을 가진 Porous TiO2박막은 ~10%까지의 높은 효율을 갖는것으로 보고된 바 있다.
TiO2 박막은 보통 전자들이 많은 입자의 경계들을 통과해야 하는 anatase 나노입자로 만들어진다.
따라서 1차원 나노구조는 빛에의해 만들어진 전하캐리어의 수집을 촉진시키는 나노입자 보다 낮은 확산저항을 갖게된다. 왜냐하면 1D(일차원) 재료에서는 전자전달이 불균일한 나노입자에서보다 전달이 더 용이하기 때문이다. 빛의 산란과 수집은 태양전지의 효율향상을 위해 최적화 될수 있는 요소이다. TiO2:Eu3+ 나노로드 (나노미터 사이즈의 막대기)는 염료감응형 태양전지 (DSSC-Dye Sensitized Solar Cells)의 전극으로 사용될 수 있다. 이 나노로드를 사용한 태양전지를 공정, 그 효율을 평가했다. 빛을 전기 에너지로 바꾸는 효율은 8%, 93.7%의 양자효율을 관찰할 수 있었고, 이는 Eu3+ 이온에 의한 발광과정을 통해 자외선 집광 효율이 향상되고, TiO2에 의한 빛의 산란현상이 증가해 높은 효율을 낼 수 있는 것으로 분석되었다.
기본적인 염료감응형 태양전지 (DSSC)는 평탄한 상전극과 전해액 그리고 입사광 흡수를 위한 (염료에 의해 감응된) TiO2 (티타늄 산화막) 으로 만들어진 전극으로 이루어진다. 따라서 TiO2 박막은 DSSC의 효과적인 동작을 위해 핵심요소가 된다. sol-gel로 증착된 Porous TiO2 박막은 ~7%정도의 효율을 보이고, Hydrothermal 방법에 의해 산란층을 가진 Porous TiO2박막은 ~10%까지의 높은 효율을 갖는것으로 보고된 바 있다. TiO2 박막은 보통 전자들이 많은 입자의 경계들을 통과해야 하는 anatase 나노입자로 만들어진다. 따라서 1차원 나노구조는 빛에의해 만들어진 전하캐리어의 수집을 촉진시키는 나노입자 보다 낮은 확산저항을 갖게된다.
왜냐하면 1D(일차원) 재료에서는 전자전달이 불균일한 나노입자에서보다 전달이 더 용이하기 때문이다. 빛의 산란과 수집은 태양전지의 효율향상을 위해 최적화 될수 있는 요소이다. 1차원 나노구조와 나노입자에 기초한 DSSC를 위한 박막에서 감응 염료는 대부분 조합을 통해 만들어진다.
예를 들면 붉은 염료와 검정색 염료는 가시광선 만을 흡수한다. 태양에너지에 포함된 자외선은 이용되지 않으므로, DSSC의 변환효율은 제한될 수 밖에 없다. 만약 자외선 다시 광방출에 의해 가시광선으로 변환될 수 있다면 감응염료에 의해 다시 재흡수 될 수 있게되어, 변환효율 또한 대폭 증가하게 될 것이다.
희토류 화합물 (RE: rare-earth compound)은 특별한 전자구조와 독특한 광전자 및 자성특성을 갖고 있어 최근 연구대상으로 그 관심이 쏠리고 있다. 광변환 재료중, Eu가 도핑된 titania는 대표적인 재료로서, 가장 좋은 붉은색 광방사 매개체로 알려져있다. 붉은 광 방출 밴드인 580-640nm대의 빛을 DSSC의 염료에서 쉽게 흡수할수 있기 때문이다. 그러나 이런 방사 변환 매개체로서 희토류 화합물을 사용하는것은 지금까지 연구된 바가 없다.

-TiO2:Eu3+ nanorods 의 준비
그림(a)는 공정된 TiO2:Eu3+ 나노로드 (나노미터 크기의 막대기)의 TEM 이미지를 보여준다. 합성된 재료가 나노로드 구조를 갖고있고, 그 길이는 100-500nm, 지름은 30-50nm정도 됨을 알 수 있다. (101) 방향의 결정 방향성과 결정화가 잘 이루어 진것을 확인할 수 있다. 원문에서는 또한 XRD(X-ray diffraction), EDX을 이용, 합성된 TiO2:Eu3+을 확인하고, 그 화학적 구조를 간단히 분석하고 있다.
특성 측정을 위해 공정된 염료 감응형 태양전지의 전체적인 구조는 그림(b)에서 확인할 수 있다.

-nanorods의 광 여기현상과 방출 스펙트럼
TiO2:Eu3+ 파우더의 여기와 방출 스펙트럼은 자외선 대역인 220-280nm 파장이 여기되고 중간 파장이 되는 254nm의 흡수 스펙트럼이 (원문 그림 3(b))에 나타나있다. 강한 방출이 612 nm에서 관찰되었다. TiO2에서부터 Eu3+ 이온으로의 에너지 전달에 대한 메카니즘은 참고문헌중 하나인 Frindel K, Bartl M, et al., J. Solid State Chem. 172, 81에서 이미 알려진 바가 있다. TiO2의 전자는 254nm의 자외선 흡수로 인해 VB(Valence Band) 에서 CB(Conduction Band)로 여기된다. 반면 무방사 전이가 일어나는데, 전자는 TiO2내의 defect state에 안착된다. 방사 전이는 612nm에서 일어나게 된다. 여기와 방출 스펙트럼을 종합하면, 태양으로부터의 자외선 재방사는 염료 N-719에 의해 재흡수 되어져, 결과적으로 DSSC의 광수집의 효율이 향상됨을 알 수 있다.
ITO전도성 유리를 기판으로 사용하고, TiO2:Eu3+ nanorods/
TiO2 나노입자의 bilayer 박막전극을 layer 어셈블리 기술로 제작한후, 자외선 반사 스펙트럼의 측정결과를 보여준다. Eu-NR(NanoRod)/NP(NanoParticle) 전극이 NR/NP 전극보다 자외선 영역에서 더 높은 흡수을 보이고, 이는 Eu3+이온 때문인 것으로 분석했다. 흡수밴드는 태양으로부터의 자외선 재방사를 의미한다. 가시광선 대역에서도 Eu-NR/NP가 NR/NP보다 더 강한 흡수를 보인다. 전극에서 염료 흡수에 대한 Eu3+ 도핑의 효과를 평가하기 위해, 화학적 흡수량을 측정했다. Eu-NR/NP과 NR/NP의 전극에서 각각 4.8E-5와 3.6E-5 mol/cm^2 흡수량을 측정, Eu3+의 도핑이 TiO2 nanorods에서 염료를 증가시키고, 따라서 가시광선 대역의 빛을 더 많이 흡수하는 것으로 보인다.

-DSSC 의 광전압 특성
입사하는 광자에 대한 전류생산 효율(IPCE-Incident Photon to Current Efficiencies)을 네개의 다른 전극 (NR, NP, NR/NP, Eu-NR/NP) 에서 각각 측정, 그 결과를에서 보여준다. 효율이 큰 순으로 나열하자면, Eu-NR/NP > NR/NP > NR > NR 순이 된다. DSSC에서 IPCE는 입사광의 수집과 광 산란현상에 의해 좌우된다. 입사광 수집은 TiO2의 표면과 염료 흡수된 양에 의한 것이고, 광 산란현상은 TiO2의 모양과 관련이 있다. NP은 더 적은 산란현상을 갖고, NR은 더 많은 산란현상을 갖지만, 더 큰 표면적을 갖고 있어 더 많은 염료에 의한 흡수현상을 갖게되어 결과적으로 더 높은 IPCE를 갖는 것으로, NR/NP bilayer 전극은 넓은 표면적과 많은 광 산란현상의 장점을 접목함으로서 NP 또는 NR의 단일전극보다 더 높은 비를 갖는 것으로 분석되었다.
마지막은 각각 다른 전극을 가진 DSSC에서 광전류-전압을 측정한 결과인데, 그 결과는 IPCE의 결과와 비슷한 것으로 나타났다. 그 효율은 각각 NR 단일 전극일때 4.4%, NP 단일 전극에서 5.8%, NR/NP bilayer 전극에서는 7.1%, 그리고 Eu3+이온 도핑을 한 Eu-NR/NP 전극에서는 8%로 평가되었다. GTB

태양광을 이용한 세계 최장시간 비행기록 수립
태양광을 이용해 최장시간 비행을 수행한 HB-SIA호가 7월 8일 성공적으로 착륙해 26시간의 비행을 성공적으로 마쳤다. 태양광을 이용한 세계 최고의 비행기록으로 평가되는 이번 비행은 Solar Impulse로 명명된 HB-SIA호가 스위스 상공의 26시간 비행을 성공함으로써 이루어졌다. 그러나 무엇보다 흥미로운 사실은 이러한 기록을 위해 태양광을 이용한 항공기가 태양이 없는 새벽에 이륙에 성공했다는 사실이다.
Solar Impulse호는 Payerne 항공기지에서 그룹의 CEO이자 Solar Impulse 프로젝트의 공동 설립자인 Andre Borcherg의 조종으로 06:51분 이륙에 성공했다.
운항 중 Solar Impulse호는 해발 28,000피트 이상의 상공에 도달했으며 최고속도 68knots에 도달했다. 12,000개의 솔라패널이 길이 63.4m의 양 날개에 부착되어 있고, 약 400kg의 배터리 팩을가지고 운항을 마친 Solar Impulse호는 운항 중 소비한 에너지를 제외하고도 착륙 시 충전이 완료되어 있음이 확인되었다.
이번 비행에서 항공기 조종을 맡은 Andre는 이번 비행에 대해 “비행기의 운항도중 확인할 수 있었던 사실은 운항을 위한 전력을 초과해 공급되는 태양에너지 덕에 충전 배터리가 계속 상승하고 있었단 사실입니다. 실제 운항 중에도 항공을 위한 에너지 소비보다 더 많은 에너지가 생산되고 있다는 사실은 흥미로운 일이 아닐 수 없었죠.”라고 말했다.
Solar Impulse의 초기 설립자이자 사장인 Bertrand Piccard씨는 이번 비행에 대해 “특히 주목할 점은 이번 프로젝트를 위한 비행이 태양이 없는 새벽에 시작되었다는 사실입니다. 화석연료의 고갈로 인해 대체에너지 자원을 모색하는 현 시점에 항공기에 적용될 수 있는 태양에너지의 활용은 야간 비행의 해결이라는 숙제를 가지고 있었죠, 그러나 순수 태양에너지만을 사용한 이번 비행 프로젝트의 성공을 통해 화석연료로부터 독립된 청정에너지 사용의 잠재적 가능성을 확인하게 되었습니다.”라고 말했다.
이번 테스트 비행의 성공은 한 방울의 화석연료를 사용하지 않고 순수 태양에너지만을 이용한 선구적 실험으로 태양광을 이용한 비행기술의 개발이 상용화 될 것으로 더욱 주목 받고 있다. GTB

태양전지판 재활용
올해 샌프란시스코(San Francisco)에서 개최된 서부해안녹색컨퍼런스(West Coast Green conference)에서 빌 맥도노프(Bill McDonough)는 행동하도록 요청하는 주요 연설자로서 매우 흥미로운 연설을 하였다. 그는 우리는 더 이상 에너지 문제를 가지지 않아도 된다고 선언하였다. 하지만, 우리가 가져야 할 것은 바로 재료의 문제이다.
그는 환경 속에 있는 탄소가 나쁜 곳에서 존재한다는 것을 말하고 싶어하였다. 탄소를 땅 속에 남겨두는 대신에 우리는 고대의 재료들을 발굴하고 파내었다. 그리고 우리들의 하늘을 점차적으로 오염시키기 시작하였다.
오래 전, 우리가 땅 속에 있는 탄소가 우리들에게 에너지를 제공해줄 수 있다는 사실을 처음 발견하였을 때, 인류는 이러한 행위가 우리에게 주는 결과에 대해 전혀 인지하지 못하였다. 하지만, 오늘날 우리는 똑같은 변명을 해서는 안되며, 똑같은 변명이 통하지도 않을 것이다. 이러한 일이 발생할 수 있는 원천이 바로 태양전지판의 재활용이다.
나사(NASA) 과학자들에게 어떻게 사람들이 태양계의 다른 행성에 에너지를 제공할 수 있는지에 대해 물어보라. 그러면 당신은 아마도 태양에너지가 해답의 열쇠를 가지고 있다는 말을 들을 것이다 - 탄소가 아닌. 거대한 핵융합로인 태양은 지구에서 사용될 수 있는 전체 에너지(전력) 용량 이상의 에너지(태양에너지)를 지구에 제공한다. 심지어 지구 인구수가 폭발적으로 증가해도 말이다. 실제 태양에너지는 여러 재생에너지들(e.g. 풍력 및 지열) 중 하나이다. 재생에너지는 지구에 전력을 제공하기 위해 필요한 6테라와트(TW) 용량의 에너지를 공급하기 위해 사용되고 있다.
이상의 내용과 관련된 의문점은 다음과 같다:
우리는 오염이나 대량파괴의 발생 없이 지구 전체에 태양에너지 발전설비를 어떻게 설치할 것인가? 태양에너지 사용을 옹호하지 않는 반대자들은 태양전지판을 제조하는데 사용되는 엄청난 규모의 금속을 지적하곤 한다. 그리고 이 대량의 금속 사용은 태양에너지를 스스로 ‘청정에너지’라고 불리는 데 부정적인 영향을 미친다고 주장하고 있다.
사실, 우리는 독성이 전혀 없는(환경친화적인) 방법을 찾기 위해 노력하고 있다. 만일 이러한 방법을 찾는다면, 모든 태양전지판과 부속품 제조업자들은 태양에너지 관련 제품들이 그 수명을 다할 때, 이들 제품을 모우고 재활용할 책임이 있다. 이를 듣고 맥도노프는 “요람에서 다시 요람으로(Cradle to Cradle: C2C)"라고 불렀다. 맥도노프의 2002년 가장 인기 있었던 서적은 “요람에서 다시 요람으로(Cradle to Cradle: C2C)"이다: 우리가 무언가를 만드는 방법을 개조하고 이를 다시 고쳐서 사용(재활용)하는 것은 쓰레기(버리는 것) 없이 설계하고 제조하기 위한 가장 좋은 방법이다. 그리고 그는 오랜 기간 이를 지지하는 지지자이다.
그는 자연은 쓰레기를 가지고 있지 않다고 주장하고 있다. 따라서 쓰레기가 인생에 있어 반드시 필요한 부분이라는 사실을 인간이 수락하게 만들 수 있는 아무런 이유도 존재하지 않는다. 현재 시스템에서 대부분의 제품들은 제조되고, 유통되고, 판매되고, 사용되고 그리고 쓰레기 매립지에 쓰레기로 버려지게 된다. “요람에서 다시 요람으로”라는 세계에서 제품들은 제조되고, 유통되고, 판매되고, 사용되고, 그리고 재조립되거나 새로운 제품으로 다시 만들어지기 위해 재활용된다.
이러한 세계에서 제조업자들은 그들의 제품을 재활용하기 쉽게 설계하며, 태양전지판에서 사용되는 중금속과 같은 해로운 혼합물들은 상시폐로(closed-loop system)에 남아있게 되며, 그로 인해 자연생물권을 오염시키게 되는 현상이 사라지게 된다.
유럽에서 태양광모듈 사이클(PV Cycle)이라 불리는 연합이 이상의 문제들을 다루기 위한 목적으로 2007년 건립되었다. 이 연합의 목적은 유럽 내 수명이 다한 태양전지판을 재활용하는 프로그램을 개발하는 것이다. 그리고 그렇게 함으로써 대표적인 사업모델을 만들어내는 것이 이 연합의 주요 목적이다. 현재, 99개의 태양에너지 관련 제조업체들이 이 연합에 가입하였다. 사실 소수의 독립적 태양전지판 재활용업체들을 제외하고는 미국은 재활용 프로그램이나 태양광모듈 사이클과 같은 연합을 가지고 있지도 않다. 하지만, 이러한 연구(재활용 프로그램 개발)에 무언가가 존재한다고 희망해보자.
만일 당신이 태양에너지의 이점을 어떻게 얻을 수 있는지에 대한 것 이상을 발견하기를 원한다면, Residential Solar 101을 방문해보라. 우리는 여기에서 많은 도움을 얻을 수 있을 것이다.
* 요람에서 다시 요람으로(Cradle to Cradle: C2C): C2C(Cradle to Cradle)는 제품이나 원료를 사용한 후 폐기하여 `무덤(grave)`으로 향하게 하는 것이 아니라 재탄생을 위한 `요람(cradle)`으로 되돌리자는 개념이다.
이러한 개념에 기반해 사용한 물질을 자연이나 산업자원으로 완전히 환원하여 자연에 유해한 폐기물을 원천적으로 만들지 않는 C2C 패러다임이 부상하고 있다.  GTB