공중합체-티타늄산화물 나노복합물 하이브리드 염료감응형 태양전지
고상 염료감응형 태양전지의 가장 큰 장점은 솔벤트의 누설 및 부식문제로부터 자유롭다는 점이다. 고상 염료감응형 태양전지의 양극물질로 사용될 수 있는 나노결정구조를 지닌 산화티타늄의 합성에 관한 최근의 연구는 염료감응형 태양전지의 다양한 특성들을 개선하고 최적화하여 염료감응형 태양전지의 효율과 성능을 증대시켜줄 수 있는 새로운 가능성을 열어줄 것으로 보인다. Steiner, Snaith 그리고 그의 동료들은 ‘구조유도 공중합 합성(diblock-copolymer-directed synthesis)’이라는 새로운 개념의 산화티타늄 합성법을 개발하고 산화티타늄의 합성조건과 상태 밀도간의 관계를 분석했다. Steiner의 연구팀은 티타늄산화물과 공중합체로 구성된 나노복합물을 양극으로 사용하는 하이브리드 염료감응형 전지를 제작하고 나노복합물의 구조가 전자·정공 쌍의 생성, 이동, 분리, 재결합에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 연구팀의 연구결과는 상태 밀도가 태양전지의 성능에 미치는 영향을 이해하는데 도움을 준다는 점에서 학문적으로 매우 중요한 가치를 지닌다. : Steiner 연구팀의 연구결과에 따르면 염료감응형 태양전지에서 발생되는 광전류는 상태밀도의 길이와 넓이가 커질수록 증가하는 반면 개방전압은 감소하는 경향을 갖는다고 한다. 고분자물질(isoprene-b-ethylene oxide)을 구조유도기제(Structure-Directing Agent)로 사용하는 경우 불활성기체 분위기 하에서의 고온열처리를 통해 추가적인 공정 없이 인-시츄(in-situ) 탄소지지체를 얻을 수 있으며 그 결과 티타늄산화물은 메조구조의 변화 없이 완전히 결정화 되게 된다. 현재까지 개발된 공중합체-티타늄산화물 하이브리드 태양전지는 최고효율은 3.2%로 개선되어야 할 요소가 많은 새로운 기술임에도 불구하고, 3.4%의 효율을 가지는 일반적인 고상 염료감응형 태양전지와 견줄만한 성능을 보여주고 있다. 구조유도 공중합체-티타늄산화물 하이브리드 태양전지의 제조공정은 일반적으로 사용되고 있는 콜로이드를 이용한 티타늄산화물 구조체 형성기법과 매우 다르다. 따라서 구조유도 공중합 합성은 염료감응형 태양전지는 물론 양극물질이 사용되는 다양한 소자의 양극물질 특성을 개선하고 최적화 할 수 있는 새로운 방법을 제시해 줄 수 있을 것으로 보인다. ACB

태양전지의 한계 효율을 넘기 위한 연구
태양광을 전기로 전환시키는데 나노물질을 이용하면 기존에 생각했던 것보다 많은 양을 전환시킬 것으로 보인다. 태양전지에 대해 연구하고 있는 과학자들은 태양전지로 생산할 수 있는 전기의 양이 점진적으로 증가할 것이라고 생각했지만 반도체 물질에서 광자를 전자로 전환하는 근본적인 물리학적 한계에 직면하고 있다. 이제 와이오밍 대학(University of Wyoming)의 연구진은 양자점(Quantum Dots)이라고 불리는 새로운 나노물질을 사용하여 기존의 한계를 뛰어넘어 초고효율 태양전지를 생산하고자 한다.
태양전지의 이론적 한계는 태양광 내 광자에서 얻어지는 에너지의 양이 다양하다는 것과 관계가 있다. 이들 에너지양은 빛의 색에 따라 달라진다. 그러나 태양전지는 들어오는 광자가 얼마나 강력한가에 관계없이 오직 주어진 에너지양에서 한 개의 광자를 한 개의 전자로 전환시킬 수 있을 뿐이며 다른 잉여 에너지(Extra Energy)는 열로서 손실된다. 과학자들은 특이한 전자적 특성을 가진 양자점이 이러한 잉여 에너지를 전자로 전환할 수 있다고 추측하였다. 또한 이러한 접근 방법이 태양전지의 이론 최대 효율을 약 50%까지 증가시킬 것이라고 추정하고 있다.
이 아이디어를 활용한 초기 테스트에서 가능성을 보았지만 어떠한 결론에는 이르지 못하였다. 전자들이 밖으로 나와 회로로 들어가기까지 너무나 짧은 시간 동안 존재하기 때문에 연구원들은 잉여 전자(Extra Electrons)를 직접적으로 측정하지 못하였다. 따라서 와이오밍의 연구원들은 양자점과 이산화티타늄(Titanium Dioxide)의 계면을 화학적으로 변화시켜 서로 강력한 결합으로 전자가 수조분의 일초만에 양자점을 빠져나가도록 하는 중요한 기술적 진보를 달성하였다. 최초로 태양전지에서 잉여 전자의 발생을 직접적으로 측정하는 것이 가능하게 된 것이다.
이러한 진보는 2가지 이유에서 중요하다. 첫번째 잉여 전자를 이용하여 전류를 생성하도록 하는 것이 가능하다는 것을 입증하였고 두번째로 측정결과가 정확하다면 양자점은 잉여 전자를 만들어내는데 일부 과학자들이 기존에 생각했던 것보다 더 효과적이라는 것이다. 그러나 이스라엘 텔아비브대학(Tel Aviv Univer
sity)의 화학과 교수인 Eran Rabani 에 따르면 초고효율 태양전지를 제조하기에 성능이 아직 만족할 단계는 아니라고 말한다. 이번 연구의 책임을 맡고 있는 와이오밍 대학 화학과 교수인 Bruce Parkson 는 이러한 의견에 동의하며 이번 연구는 아직 최적화 단계가 아니고 단지 시작일 뿐이라고 설명한다.
이러한 기술이 초고효율 태양전지 제조에 적용되기 전에 해결해야 할 2가지 주요한 도전과제가 있다. Parkinson 교수는 이번 연구에 결정질 이산화티타늄 전극과 황화납 양자점(Lead Sulfide) 양자점을 사용하였다(사진 참조). 따라서 연구진은 광자를 보다 많은 다중 전자(Multiple Electrons)로 전환시킬 수 있는 다양한 양자점과 전극 물질의 조합을 시도할 필요가 있다. Parkinson 교수는 양자점 태양전지를 제조하는 새로운 방법이 이들 다른 조합을 직접적으로 테스트하는데 도움이 될 것이라고 말한다. 또한 연구원들은 양자점 태양전지가 흡수할 수 있는 빛의 양을 증가시키도록 방안을 강구해야 한다. 실험용 전지에서는 양자점 층이 너무 얇아 대부분의 빛이 흡수되지 않고 통과되었다. 따라서 다음 단계에서는 높은 표면적을 지닌 다공성 물질에 양자점을 묶을 것이라 Parkinson 교수는 말한다. 비록 빠르게 빠져나가는 일부 전자가 있겠지만 이러한 방법을 통해 보다 많은 빛을 흡수할 수 있을 것으로 기대된다. GTB

색소증감형 태양전지
플라스틱 기판에서 슬림화
펙셀ㆍ테크노 실내 조명으로도 발전
펙셀ㆍ테크놀로지즈(橫浜市 靑葉區, 사장 鳥山秀貞)은 플라스틱 기판의 색소증감형 태양전지를 올해 샘플 출하한다. 종래의 유리 기판을 사용한 같은 형태의 태양전지에 비해 셀 구조의 두께를 반 이하로 했다. 독자개발한 색소와 전해질을 이용하여 슬림화했어도 광흡수 강도를 유지할 수 있다는 것이 특징. 경량이며 설치의 자유도도 높다는 점을 호소하여 수요를 개척한다.
완성한 전지는 유기계 색소를 이용한 플라스틱형(形)으로 변환효율은 약 5%, 일반적인 유리형에 비해 변환효율은 떨어지지만 광흡수 강도는 3배로 높다. 따라서 1만 룩스 정도의 실내 조명에서 발전이 가능. 당초, 모바일 기기의 충전이나 광센서 등, 옥내용 태양전지로 판매를 상정한다.
기판에 플라스틱을 이용함으로써 색소와 전해액, 전극 등을 완전히 압착한 상태에서 봉지(封止)할 수 있다. 이로써 전해액층은 유리형에 비해 5분의 1의 슬림화에 성공. 전해액 속에서의 내부저항이 저감되어 발전변환효율의 향상을 확인할 수 있었다.
유리형에서는 불필요한 수분에 의한 변환효율의 저하를 막기 위해서 산화티탄 전극을 소성한다. 이 회사는 셀의 슬림형화로 로스를 커버하여 소성 공정을 생략했다. 부재의 사용량과 공정의 삭감으로 다결정 실리콘 태양전지와 다르지 않는 「1평방미터 당 2만 엔 이하를 목표」(宮坂力 회장)로 하고 있다. 일간공업

차세대 태양광 모듈 개발
독일의 Schott Solar사와 네덜란드 Solland Solar 사는 신세대 태양광 모듈 개발에 대한 파트너쉽을 맺었다. 합의내용은 기술 라이센스와 공동 연구개발, 후면부 접촉 태양광 모듈의 생산에 관한 내용이다. 이 기술은 전면부 전극이 태양광 입사를 가로막는 요인을 최소화하여, 기존의 입사광 손실을 줄이고 최대의 변환효율을 얻는 기술이다. 디자인 기술자들에 따르면 이 기술을 통하여 “모듈들은 전면부에 접촉 장비가 없기 때문에 효율과 외관을 볼때 더욱 매력적으로 개조 되었다”라고 전했다. 위의 두 회사는 2011년 내에 16% 이상의 수율을 갖는 모듈 생산을 목표로 하고 있다. Schott Solar사는 후면부 접촉 기술을 기반으로 개발된 Solland Solar사의 Sunweb(R)을 공유할 수 있게 됐다. 또 Solland Solar사는 Schott Solar사의 생산기술과 재료공학지식을 공유함으로써 Sunweb(R)을 더 빨리 시장에 내놓을 수 있게 된다. 두 회사는 파일롯 생산라인을 네덜란드에 위치한 Solland Solar 공장에서 시작할 계획이다. <우리 전략은 혁신을 기반으로 합니다. Solland Solar와의 미래 지향적 파트너쉽은 최고의 제품을 생산하게 해줄 것입니다. 두 회사의 기술혁신을 연계함으로써, 성능향상과 생산비용을 절감할 수 있습니다> 라고 Schott Solar 사장 Dr Martin Heming은 말했다. Sunweb(R) 기술은 제조 공정에서 효율을 높이는 방식이다. 이 기술은 MWT(Metal Wrap Through)프로세스와 Solland Solar가 개발한 ILS(In-Laminated Soldering)기술을 기반으로 한다. MWT기술이란 전면전극을 없애고 셀의 안쪽에 버스바(busbar)를 설치하여, 이를 레이저 가공을 이용한 홀을 통해서 접촉부와 연결시키는 기술이다. 즉 전면부에서 얻어진 에너지를 후면부로 직접 전달하는 방법이다. 전면부는 자체 디자인된 독특한 표면으로, 더 많은 면적을 이용하여 태양광을 전기에너지로 변환시킨다. 이 기술을 통해서 얻은 태양광 모듈은 기존의 태양광 모듈보다 10% 더 높은 수율을 얻었으며, 이 제품은 주거지역을 대상으로 판매 될 예정이다. GTB

태양광발전 시장동향 : 독일, 프랑스, 북미
외관상 결정된 바에 의하면, 태양광발전 사업이 실제 전기소모에 있어 엄청난 영향을 줄만큼 충분히 빠르게 성장하는 것도, 그리고 그 규모가 상당히 큰 것도 아니다. 하지만, 독일 태양광발전 산업은 계속해서 이 기록을 깨고 있다. 그만큼 독일은 태양광발전 사업에 많은 투자를 하고 있으며, 그들의 사업 노하우와 동향을 알아볼 필요가 있다. 연방네트워크청의 최근 데이터에 따르면, 독일의 태양에너지 산업은 7월과 8월 동안 1,000MW 규모의 프로젝트들이 추가적으로 진행되어졌다고 한다. 이는 1월과 8월 간, 즉 8개월 동안 사용된 전력량을 대체할 수 있을 정도의 규모이다. 사실 독일에서는 이전에 설치된 175,000 태양광발전설비로부터 거의 4,900MW의 전력을 생산할 수 있다.
2010년 오늘까지 설치된 독일의 태양광발전소는 5TWh 보다 조금 작은 전력을 생산할 정도의 규모이다. 2009년 독일은 580TWh의 전력을 소모하였다. 2010년 8개월 동안 태양광발전소 설치는 독일 전력량의 0.86%, 즉 거의 1% 정도 수준의 전력을 제공할 수 있는 용량이다. 현재 속도로 개발이 계속되어진다면, 독일은 2010년 말에 6,000MW 규모의 태양광발전소를 추가적으로 확보하게 될 것이다. 이는 독일 전체 전력량의 1%를 제공하고도 남을 규모의 전력량이다.
독일은 현재 태양광발전소를 통해 전체 전력공급량의 약 1% 수준을 맞추려고 노력하고 있다. 2010년에 추가적인 발전소 설치는 독일로 하여금 태양광발전소를 통해 전체 전력량의 약 2% 수준을 맞출 수 있게 해줄 것이다. 2009년 독일은 풍력에너지를 통해 전체 전력량의 6.5% 수준의 전기를 공급하고 있다. 독일은 2010년 4TWh 용량의 발전소를 추가적으로 설치할 것이라고 기대하고 있다. 이는 독일의 전체 전력소비량의 1%보다 조금 모자란 정도의 전력량에 해당된다. 태양에너지 산업을 비평하는 비평가들은 태양에너지는 계량화되거나 평가되어질 수 없으며, 전력공급에 엄청난 영향을 줄 정도로 빠르게 설치될 수도 없다고 주장하고 있다. 하지만, 이미 태양광발전소는 정부의 정책설계에 따라 계량화되고 수치화되고 있다.
프랑스
또 다른 시장인 프랑스는 2010년 6개월 동안 200MW 규모의 태양광발전소를 설치하였다. 그 결과, 전체 태양광발전소를 통해 510MW 규모의 전력을 생산할 수 있게 되었다. 공통전력망으로 기대되고 있는 태양광 및 풍력발전 프로젝트들이 향후 엄청난 양의 전력을 공급하게 될 것이다. 예를 들어, 프랑스에는 3,700MW 규모의 태양광발전소 프로젝트와 4,700MW 규모의 풍력발전소 프로젝트가 존재하고 있다.
북미
뉴저지(New Jersey)의 청정에너지 프로그램은 현재 속도로 태양광발전 프로젝트가 진행된다면 올해 말에는 125MW 규모의 태양광발전소가 설치될 것이라고 평가하고 있다. 만약 이 프로젝트가 현실화된다면 전체 태양광발전소를 통해 공급할 수 있는 전력량은 거의 250MW 정도가 된다.
캐나다 태양에너지산업협회(Canadian Solar Energy Industries Association: CanSIA)는 100에서 200MW 규모의 태양광발전소가 2010년 동안 온타리오(Ontario)에 설치될 것이라고 평가하고 있다. 산업분석기업인 ClearSky Advisors는 온타리오의 전체 태양광발전 전력용량이 2011년 말 거의 700MW 규모에 도달할 것이라고 주장하고 있다. 뿐만 아니라, 2015년에는 전체 태양광발전소가 3,000MW 규모가 될 것이라고 말하고 있다.
이탈리아 태양광 모듈 제조업체인 SilFab社는 토론토(Toronto) 교외에 조립공장을 지을 것이며, 2011년에는 60MW 규모의 태양광 모듈을 생산할 것이라고 주장하고 있다.
10월 7일, 캐나다 석유 및 천연가스 파이프라인(pipeline) 운영업체인 Enbridge社는 온타리오 사르니아(Sarnia) 인근에 세계에서 가장 거대한 태양광발전소를 설치할 계획이다. 80MW 규모의 태양광발전소가 캘리포니아(California) 태양광발전소 관련 기업인 Opti-Solar社에 의해 건설되기 시작하였다. 하지만, 오하이오(Ohio)의 First Solar社에 의해 완공이 되었다.
아이러니하게 북미에 존재하는 최초의 상업용 유전은 1858년 사르니아 지역 인근에서 채굴이 되었다. 뿐만 아니라, 이 지역은 온타리오 내 석유 및 화학산업의 중심지로 남아있다.
2009년 캘리포니아는 200MW 규모의 태양광발전소를 추가적으로 건설하였으며, 이를 통해 미국은 2009년 435MW 규모의 태양광발전소를 설치하게 되었다. GTB

세계 최대 규모로 성장한 중국 태양 에너지 산업 현황 분석
중국의 태양 에너지 광열(光熱) 산업은 신에너지 산업 분야에서 기여도가 제일 크고, 영향력이 제일 크고, 실용성이 제일 강하고, 보급 비율이 제일 높고, 독자적인 기술 수준이 제일 높고, 투입 대비 산출 비율이 제일 높고, 정부 및 사회적 부담이 제일 작은 신에너지 산업에 속한다. 태양 에너지 광열 산업은 중국의 신에너지 산업 분야에서 핵심 기술을 보유하였을 뿐만 아니라 산업 규모 면에서 세계 1위를 차지한 핵심 산업으로 부상하였다.
태양 에너지 광열 이용의 기본 원리는 태양 에너지를 수집하여 광 에너지를 열에너지로 전환시켜 이용하는 것이다. 현재 응용 분야에서는 주로 태양 에너지를 이용한 열수기(熱水器)와 광, 열을 이용한 발전(發電) 두 개 분야가 포함된다. 중국의 태양 에너지 광열 산업은 지난 20세기 80년대부터 발전하기 시작하였다. 중국 ‘국가 첨단기술 산업화 프로젝트’인 ‘863 계획’ 실행은 중국의 태양 에너지 광열 이용의 산업화 진척을 대폭 추진하였다. 태양 에너지 열수기, 태양 에너지 난방 시스템, 태양 에너지 건조 시스템 등 태양 에너지와 관련된 제품들은 태양 에너지 광열 기술을 활용한 성과들에 속한다. 태양 에너지 관련 제품들의 폭 넓은 응용은 중국이 재생 가능한 에너지를 개발하고 이용하는 과정에서 혁신적인 연구 개발과 상용화를 대폭 추진하여 저 탄소 사회를 건설하는 면에서 중요한 성과를 달성하였음을 의미한다.
현재 중국은 이미 세계 최대 규모의 태양 에너지 광열 응용 시장으로 부상하였을 뿐만 아니라 세계 최대 규모의 태양 에너지 집열기(集熱器) 제조 센터로 부상하였다. 지난 2009년도에 중국의 집열기 보급 면적은 누계로 1.45억㎡ 규모에 달하여 세계 집열기 보급 면적의 76% 정도를 차지하였으며, 연간 생산량이 4,000만㎡에 달하여 세계 전체 생산량의 60%를 차지한 것으로 나타났다. 지난 2009년도에 중국의 태양 에너지 열수기(熱水器) 총 판매액은 약 578.5억 위안 인민폐(약 85억 달러) 규모에 달하여 전년 대비 34.5% 증가한 것으로 나타났다. 수출액은 약 2억 달러 규모에 달하여 전년 대비 66.6% 증가한 것으로 나타났다. 태양 에너지 광열 기술은 제지(造紙), 음료, 기계, 방직, 식품, 양식(養殖) 등 공업, 농업 생산 분야에서도 폭 넓게 응용되고 있다.
중국의 태양 에너지 광열 산업이 신속히 발전하여 세계 1위를 차지하게 된 중요한 원인은 핵심 기술을 보유한 데 있다. 관련 설명에 따르면, 중국의 태양 에너지 광열 산업의 독자적인 기술은 95% 이상을 차지하고 있으며 태양 에너지 집열, 고온 발전 시스템, 냉방 난방 시스템, 해수(海水) 담수화, 건축 분야 에너지 절약, 설비 검사 측정 등 분야에서 국제 선진 기술을 보유하고 있다. 집열 기술 분야에서 중대한 의미가 있는 ‘알루미늄 질소 알루미늄 전체 유리 진공(眞空) 집열 파이프 기술’을 연구 개발하였으며 ‘티타늄 집열 파이프’와 ‘중온(中溫) 태양 집열 파이프’를 개발하여 광열 전환 효율을 대폭 향상시켰다.
‘열 축적 기술’ 분야에서 ‘두 가지 효율의 보온통(保溫桶)’은 6건의 중국 ‘국가 발명 특허 기술’을 사용하였는데 폴리우레탄(polyurethane) 보온층 내에 ACRI 절열(絶熱) 재료를 사용하여 열을 효과적으로 차단하였으며 열전도(傳導)를 감소시켜 이중 보온 효과에 도달하였다. 지능화 분야에서 ‘전체 자동 태양 에너지 열수기’는 국제 선진적인 ‘전체 자동 운행 기술’을 활용하여 열수기의 ‘키보드 형태의 통제 시스템’을 실현하였다. 생산 공법 분야에서 세척, 기체 배출, 막(膜) 코팅에서 포장에 이르기까지 전체 자동화 생산을 실현하여 제품 생산 효율을 대폭 향상시켰다. 기술 혁신은 중국의 태양 에너지 열 이용 효율성을 대폭 향상시켰는데 동일한 태양 에너지 열 이용 설비라고 해도 열에너지로 생성된 전력의 kW.h 당 원가는 미국이 4달러 수준에 도달하지만 중국의 종합 원가는 0.15위안 인민폐(약 0.02달러)에 달하는 것으로 나타났다. GTB