나노와이어 태양전지에 높은 경제성, 안정성을 부여해 줄
새로운 전기증착법 개발

Lukas Schmidt-Mende의 연구팀은 간단하면서도 빠른 증착속도를 가지는  전기 증착법을 이용하여 높은 균일성은 물론 빛의 흡수율을 최대화 해주는 표면 구조를 가지면서도 정확한 경계를 가지는 구리산화물 나노와이어 / 아연산화물 나노와이어접합을 만들어냈다.

태양광 발전이 화석에너지를 대체할 차세대 에너지원으로 자리매김 하기위해 가장 우선적으로 해결 돼야 할 과제는 친 환경적이면서도 풍부한 매장량을 지닌 물질을 이용한 값싸고 우수한 성능을 지니는 태양전지를 개발하는 것이다. 하지만 현재까지 개발된 어떠한 태양전지도 앞서 언급한 두 가지 요건을 충족시키지 못하고 있는 실정이다. 그 중 구리산화물과 아연산화물을 이용한 태양전지의 경우 풍부한 매장량을 가진 친환경적인 물질을 이용하지만 태양광의 입사에 의해 생성된 전자와 정공의 수집이 제한적으로 일어나기 때문에 낮은 광전 변환효율을 갖는다. Advanced Materials지 최신호에는 획기적으로 향상된 효율을 지닌 태양전지의 재료로 각광받고 있지만 매우 느린 증착속도와 높은 공정비용 때문에 주목받지 못했던 나노구조 무기물 태양전지의 생산성과 경제성을 동시에 해결할 수 있는 새로운 기술이 소개되었다. Advanced Materials에 개제된 논문의 저자인 Lukas Schmidt-Mende, Judith MacManus-Driscoll, Christina Scheu교수와 그들의 연구팀은 간단하면서도 빠른 증착속도를 가지는  전기 증착법을 이용하여 높은 균일성은 물론 빛의 흡수율을 최대화 해주는 표면 구조를 가지면서도 정확한 경계를 가지는 구리산화물 나노와이어 / 아연산화물 나노와이어접합을 만들어 낼 수 있었다. Lukas Schmidt-Mende과 그의 연구팀이 전기 증착법을 이용하여 제작한 나노와이어 / 아연산화물 나노와이어접합 태양전지는 이전의 전기 증착법을 이용한 태양전지 최고효율에 5배에 해당하는 광전변환 효율을 보여주었다.
연구팀에 따르면 그들은 나노와이어 / 아연산화물 나노와이어접합 태양전지의 제작과 분석을 통해 두 가지 종류의 나노와이어가 접합을 이루는 계면의 상태가 나노와이어 태양전지 특성을 결정해주는 가장 중요한 요소라는 점을 확인했으며 계면 특성 향상을 통해 전기 증착법을 이용해 제작된 구리산화물 나노와이어 / 아연산화물 나노와이어접합의 효율을 획기적으로 높일 수 있다고 했다. 계면 상태에 개선에 따른 광 흡수율, 전자-정공 수집율, 그리고 이에 따른 태양전지의 효율증가는 연구팀의 연구결과에 뚜렷하게 나타난다.
전기 증착법을 이용해 제작된 태양전지는 대면적화가 용이할 뿐 아니라 기판선택의 제한성이 낮기 때문에 (전기가 통하는 대부분의 물질을 기판으로 사용할 수 있다.) 건물의 외장재는 물론 다양한 제품에 집적될 수 있다는 장점 을 갖는다. 구리산화물과 아연산화물은 값싸고 풍부한 매장량을 지니며 매우 안정된 물질이기 때문에 이 두 물질을 이용한 고효율의 태양전지 제작이 가능하다면 화석연료와 비슷한 수준 혹은 더욱 높은 경제성을 지닌 태양광 발전도 불가능한 일은 아닐 것이다. ACB

중국, 태양전지용 ‘고밀도 은 분말 재료’ 개발
중국 산시(陝西)성 시안(西安)시에 위치한 ‘시베이(西北) 대학’의 ‘광전(光電) 기술 및 기능재료 국가 중점 실험실 육성 기지(基地)’와 ‘국가급 광전 기술 및 기능재료와 응용 국제 과학기술 협력 기지’ 연구팀은 공동 연구를 통해 국제, 국내적으로 수요량이 큰 ‘고밀도(2.5-4.8g/cm3) 은(銀) 분말 재료’ 연구 개발에 성공하였다.
이번 연구는 중국 ‘시베이 대학’의 왕후이(王惠) 교수의 주도 아래, 중국 ‘국가 과학기술부’의 ‘국제 과학기술 협력 전문 프로젝트’인 ‘태양전지용 전기 고전도성 은 분말 재료 개발 기술 및 공법 연구’에 속한다. 왕후이 교수 연구팀은 장시기 동안의 집중 연구, 중간 실험, 공업화 추진 등 과정을 통해 이번 ‘고밀도 은 분말 재료’ 연구 개발에 성공하였다.
‘고밀도 은 분말 재료’ 개발 기술은 에너지를 절약하고, 환경을 보호하며, 1회성 원자재 투입량이 많고, 생산량이 크며, 원가가 저렴하고, 생산 설비 면에서 특수한 요구가 없는 등 강점을 보유하고 있다고 한다. 이번 연구 개발 성과는 국제 선진 수준에 도달했다는 평가를 받고 있다.
‘고밀도 은 분말 재료’는 구형도(球形度)가 높고, 알맹이 균일도가 높으며, 밀도가 높고, 전기 전도 성능이 우수한 특징을 가지고 있다. 연구팀은 각종 엄격한 기술 검사 측정을 통해 ‘고밀도 은 분말 재료’는 외국에서 수입된 선진 제품 수준에 도달하였으며 일부 품종 성능은 외국의 동일 유형 수입 제품보다 더욱 우수하다는 점을 입증하였다.
‘고밀도 은 분말 재료’는 태양전지 개발에 있어서 핵심 재료가 되고 있다. 왕후이 교수 연구팀은 은 분말로 태양전지 전극을 개발하였는데, 측정 테스트 결과, 광전(光電) 전환 효율은 17% 이상 수준에 도달하였으며, 단일 편(片) 태양전지의 평균 파워는 2.563W 수준에 도달하였으며, 인쇄 성공 비율은 100% 수준에 도달한 것으로 나타났다.
‘고밀도 은 분말 재료’로 제조한 PDP 디스플레이 및 고 전기 전도성 후막(厚膜) 재료는 성능이 매우 우수한 것으로 나타났다. ‘고밀도 은 분말 재료’는 야금(冶金) 분야에서도 폭넓게 응용될 것으로 전망된다.
이번 ‘고밀도 은 분말 재료’ 연구 개발을 통해 중국은 ‘고밀도 구형(球形) 은 분말 재료’ 연구 개발 및 생산 분야 공백을 메울 수 있게 되었다. ‘고밀도 은 분말 재료’ 연구 개발의 성공은 중국이 독자적인 지적재산권을 소유한 태양전지 전극 개발용 ‘고 밀도 은 분말 재료 개발 기술’을 보유할 수 있게 되었음을 의미한다. GTB

태양발전
실리콘셀로 집광형 제품화
스마트솔라인터내셔널(東京都 文京區, 사장 富田孝司)은 실리콘으로 만든 태양전지 셀을 사용한 집광형 태양광 발전 시스템의 판매를 2011년도에 시작한다. 현재, 사양을 만족시켜 24시간 편의점에 설치하는 등 업무용으로 판매한다. 해외의 태양광발전소에 납입하는 것도 시야에 두고 있다. 고효율 컨버터 기술을 사용한 시스템을 개발하여 태양광발전 시스템으로 5년 후에 연간 100억 엔의 매상을 목표한다.
빛을 거울에 모으는 집광형 발전시스템은 셀이 고온이 되므로 온도가 상승하면 발전효율이 떨어지는 실리콘셀을 사용하기가 어려워서 온도상승에 영향을 많이 받지 않지만 실리콘에 비해 고가인 화합물반도체 셀을 사용하는 것이 주류. 이 회사는 냉매가 대류를 일으켜 자연적으로 순환하여 효율적으로 셀의 온도를 50℃ 이하로 낮출 수 있는 구조를 개발했다. 주택 지붕에 설치하는 등으로 보급하고 있는 판넬형과 같은 실리콘 셀을 집광형으로 채용할 수 있게 되었다. 실리콘 셀 판넬형에 비해 출력은 20-40% 높아진다.
이 회사는 NTT와 공동으로 다른 종류의 태양전지 셀에서의 출력을 고효율적으로 합성하여 끌어낼 수 있는 컨버터 기술도 개발. 이 기술을 사용한 시스템의 제품화도 추진한다.
스마트솔라는 2009년 창립된 東京大學발 벤처. 東大의 벤처캐피털「東京大學엣지캐피털」이 출자한다. 실리콘 셀의 집광형 태양광 발전 시스템이 이 회사 제1호 제품이 된다. 일간공업

중국, 고효율 결정규소 태양에너지 전지 연구
태양에너지 연구영역으로 융합재료, 태양 전지판, 반도체, 전극 등 영역으로 집중되어 있는데 이는 특허 분포에서 태양전지판 또는 배열과 반도체제조 분야가 40%이상으로 차지할 정도로 집중되어 있음으로 다음 순서로 전극, 유기재료, 수정실리콘, 천정설치, 염료 민감(Dye Sensitized), 기판, 화합물 태양에너지전지 등 기술은 국제적으로 태양에너지 전지산업영역 중점연구 개발하는 기술 영역이다.
이런 가운데 2010년 8월초의 중국내에서 평가를 거쳐 중국과학원 마이크로 전자공학 연구소에서 하향변환원리를 기초로 결정 규소 태양에너지 전지 분야에서 새로운 모습의 최대효율을 갖는 전지를 개발하였다고 발표하였다.
최근 몇 년 동안 세계 태양에너지 전지 산업은 급속하게 발전하였다. 결정 규소 태양에너지 전지는 여전히 주류를 차지하며 시장의 78%를 점유하였다. 업계의 예측에 따르면 미래 10~15년 사이에 결정규소 태양에너지 전지는 시장의 지배적 지위를 차지할 것이다. 결정규소 전지의 이론적인 극한 효율은 31%(Shock
leyㆍQueisser 극한, S-Q극한)에 달한다. S-Q 극한을 돌파하여 태양광의 이용률을 대폭적으로 높이는 것은 세계 태양광에너지 전지 연구와 산업이 가장 관심을 갖는 이슈내용이다.
중국과학원 마이크로 전자공학연구소 마이크로파 장치 및 집적회로 연구실의 쨔뤄이(인명)연구원이 이끈 고효율 태양에너지 전지 연구팀은 처음으로 중국에서 반도체 나노 재료 하향변환 결정규소 고효율 태양에너지 전지에 대한 연구를 시작하였다. 반도체 나노 재료의 양자크기 제한효과를 이용하여 에너지 밴드폭(energy-band width)을 조절함으로써 단파장 주파대 빛에 대한 영향을 증가시켰다.
연구팀에서는 이미 새로운 반도체 나노 재료를 개발하였으며 이런 신형 반도체 나노재료의 energy-band width는 사이즈, 재료 조성성분 등에 근거하여 민감성 있게 조절할 수 있다. 하향전환 재료와 대규모 생산형인 125mm×125mm 결정규소를 믿받침으로 결합하여 연구자들은 하향전환 고효율 결정규소 전지를 제조하였다. 전지조각을 포장한 후 검사한 결과, 하향전환 결정규소 전지는 300~630mm 주파대 빛에 대한 흡수와 이용이 현저하게 증가되었으며 스펙트럼 응답도 10%나 증가 되어 결정규소 전지의 성능이 현저하게 제고되었다.
쨔뤄이 연구원은 이미 2010년 8월에 열린 제2회 중국-유럽 태양에너지 전지세미나에서 특별 보고(Special Report) 순서로 발표하였으며 연구성과를 상세하게 논술하여 중국외 전문가 및 산업계의 긍정과 호평을 받았다. GTB

인공수정(人工水晶)으로 태양전지
희소금속 불필요
國際先端技術硏 저가 생산에 길
國際先端技術總合硏究所(東京都 千代田區, 사장 小松信明)은 인공수정을 이용하여 증감색소를 사용하지 않고 극히 광범위한 파장 영역의 가시광선에 대응하는 태양전지를 개발했다. 희소금속을 사용하지 않는 값싼 태양전지 생산의 길이 열린다. 인공수정을 특정 조건 하에서 할로겐화 처리함으로써 가시광 하에서 전압·전류를 얻는데 성공했다.
이 연구소는 일본에도 대량으로 존재하여 값싼 이산화규소를 원료로 한 인공수정을 사용하여 파장 200나노-800나노미터인 가시광 영역에서 반응하는 새로운 광촉매를 올 2월에 개발. 이번에 고순도화한 인공수정을 태양전지의 발전재료로 사용했다. 본래 인공수정은 절연체로서 태양광 발전에 대한 이용은 생각하지 못했다.
시작한 셀은 가로세로가 30밀리×40밀리미터, 두께가 1밀리미터. 전압은 0.8-0.9볼트이며, 전류가 4밀리-8밀리암페어. 변환효율은 1-2%로 조기에 10%를 지향한다. 小松사장은 「세계 최초의 성공으로 이미 국제특허도 3건 취득했다. 조만간 실증실험을 종료시켜 기업과 연합하여 제품화하고 싶다」고 이야기하고 있다.
태양광을 사용하여 절연물인 인공수정으로 발전할 수 있는 원리는 지금 현재 해명할 수 없다. 공동으로 연구를 진행하게 된 早稻田大學의 逢坂哲彌 교수는 「태양전지로 작동하고 있고 앞으로 가능성을 기대할 수 있다」고 보고 있다. 특허는 앞으로 2건의 국제특허를 취득할 수 있을 전망.
小松사장은 희소금속을 사용하지 않음으로써 종래의 10분의 1이하의 단가로 태양전지의 제품화가 가능하게 되었다고 하며 「국제 경쟁이 격화되고 있어 제품화를 위해 조속한 몰두가 필요하다」고 말한다. 일간공업

중국, 태양광발전 산업 분야의 핵심 설비 연구에서 중대 성과 달성
최근 ‘중국 전자 과학기술 그룹 회사’ 산하 ‘제48연구소’ 연구 개발팀이 중국 정부의 ‘전자 정보 산업 발전 기금’의 지원을 받아 실행한 ‘다결정 실리콘 금형로(爐) 개발 및 산업화 연구 프로젝트’, ‘대직경 밀폐 고온 확산/산화 설비 개발 프로젝트’가 관련 ‘기술 평가’에 통과되어 이슈가 되고 있다.
이번 중대 연구 개발 성과 달성을 통해 중국은 태양광발전 산업 분야 핵심 설비를 개발하는 핵심 기술을 보유할 수 있게 되어 그 의미가 주목된다.
‘다결정 실리콘 금형로’는 태양광발전 산업 체인에 있어서 앞단에 있는 핵심 설비에 속한다. ‘중국 전자 과학기술 그룹 회사’ 산하 ‘제48연구소’ 연구 개발팀은 각종 어려움을 극복하면서 ‘다결정 실리콘 특정 방향 응고 공법 기술’, ‘높은 수준의 클린로 기술’, ‘결정체 실리콘 생장 시스템의 열 마당 기술’, ‘정밀 전동(傳動) 기술’ 등 여러 가지 기술 난제를 해결하였을 뿐만 아니라 독자적인 지적재산권을 소유한 ‘다결정 실리콘 금형로’를 개발하였으며 여러 건의 특허를 신청하였다.
‘다결정 실리콘 금형로’의 연구 개발은 중국 태양광발전 산업 성장에 필요한 핵심 설비 국산화를 실현하는데 있어서 중대한 첫발을 내디딘 셈이 된다. 이번 ‘다결정 실리콘 금형로’ 연구 개발의 성공은 중국에서 대규모로 ‘다결정 실리콘 재료’를 생산하는데 있어서 핵심이 되는 ‘기술 병목’ 문제를 해결하였으며 동 설비를 절실히 필요로 하는 중국 내 기업체들의 요구를 충족시킬 수 있게 되었다.
이번 ‘다결정 실리콘 금형로’ 연구 개발의 성공은 중국 내에서 새로운 첨단기술 제품 품종을 형성하여 중국의 태양광발전 산업 체인을 완벽히 구축하고 중국 태양광발전 산업의 전체 수준을 향상시키고 경제와 사회적 효과를 대폭 향상시키는 면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다.
태양전지 개발에 있어서 ‘대직경 밀폐 고온 확산/산화 시스템’은 ‘결정체 실리콘 태양전지’ 생산 라인에 있어서 핵심 설비에 속하며, 물리, 기계, 화학, 전자, 유체(流體)역학, 광학, 열 공학, 컴퓨터 통제, 자동 통제 등 10개에 달하는 학과 분야의 선행 기술과 관련되어 있다.
이번 ‘대직경 밀폐 고온 확산/산화 설비 개발 프로젝트’ 실행을 통해 연구 개발팀은 ‘대직경 밀폐 고온 확산 공법 기술’을 개발하였으며 ‘고온로 자동 밀폐 기구 설계 기술’ 등 핵심 기술을 개발하였으며 국제 선진 수준에 도달한 태양전지 개발에 필요한 ‘생산형 대직경 밀폐 고온 확산/산화 시스템’을 개발하였으며 독자적인 지적재산권을 소유한 ‘생산형 대직경 밀폐 고온 확산/산화 시스템’ 및 ‘공업 연구 개발과 산업화 생산 기지(基地)’를 구축함으로써 태양광발전 산업체인 중 핵심 공법 설비 국산화와 상용화를 실현하였다.
연구 개발팀은 관련 연구를 실행하는 과정에서 2건의 특허를 신청하였으며 외국 기술이 독점하던 국면을 전환시켰다. 관련 설비의 각종 기술 지표(指標)는 모두 국제 선진 수준에 도달한 것으로 나타났다. 이번 연구 개발 성과의 달성은 중국 내 태양광발전 산업에 종사하는 기업체들의 핵심 경쟁력을 강화하고 중국 내 태양광발전 산업의 효율적이고 안정적이며 지속가능한 성장을 실현하는 면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다. GTB

태양발전의 효율을 높여줄 발광 태양 레이저
지난 주에 열린 미국광학회의 프론티어스 인 옵틱스 (Frontiers in Optics 2010) 행사에서, MIT 연구진은 발광 태양 집광기(luminescent solar concentrator : LSC) 이후의 단계가 될 발광 태양 레이저(luminescent solar laser)에 대해 발표했다. 포토닉스와 에너지 기술 세션에서, 랏칠드(Rotschild)는 MIT와 미시건대(University of Michigan) 연구팀들이 지금까지 그러한 레이저를 실용화시키기 위해서 연구해 온 내용들을 개괄적으로 설명했다.
전통적인 결어긋난 LSC에서는 투명한 플라스틱 평판에 햇빛을 흡수하는 염료가 첨가되어 있으며 흡수된 햇빛은 좀 더 긴 파장 대역의 빛으로 재방출된다. 그렇게 재방출된 빛 또는 그 빛의 일부는 내부전반사에 의해서 평판의 가장자리로 이동되고, 그곳에서 길고 얇은 광기전(PV) 셀에 의해 모아진다. 결어긋난 LSC는 어느 정도 뛰어난 성능을 갖고 있다. 예를 들면, 결어긋난 LSC는 태양을 추적하지 않고도 상당히 높은 집광도를 달성하며, 심지어는 완전히 흐린 날에도 빛을 집중시킬 수가 있다. 그렇지만 평판 속에 있는 염료가 빛을 모든 방향으로 재방출하기 때문에, 그 빛의 일부는 평판을 빠져나가서 효율이 낮아지는 문제가 있다.
만약 그러한 장치가 단순히 빛을 결 어긋나게 재방출하지 않고 레이저발진을 할 수 있도록 만들어진다면, 방출광은 매우 좁은 각도 이내로 방출될 것이므로 그 빛 모두가 태양전지로 흘러갈 수 있게 될 것이다.
그래서 랏칠드와 동료들은 한 층의 출력 파장 대역이 그 다음 층의 흡수 파장대역과 일치하는 3가지 물질로 이루어진 마이크로링 레이저를 제작했다. 첫 번째 물질인 매우 얇은 바깥쪽 코팅은 빛을 매우 효율적으로 흡수하고 재방출하지만 동시에 그 빛을 매우 잘 투과시키지도 않는다. 이것이 문제가 되지 않는 이유는 코팅이 매우 얇기 때문이다. 그 다음 두 번째 물질은 첫 번째 층의 출력 광을 흡수해서 더 긴 파장으로 재방출하고, 투과거리는 더 길다. 따라서 빛은 우수한 Q인자를 가진 레이저 공동 속으로 들어갈 수 있다. 마지막 세 번째 물질은 레이저 공동 자체이다. 이 공동의 흡수율은 매우 낮지만 Q가 높기 때문에 보상된다. 공동은 2번째 물질에서 나온 빛을 흡수하여 레이저 빛을 발생시킨다.
초기 실험 결과는 고무적이었지만, 실용적인 태양에너지집속 레이저를 제작할 수 있기 위해서는, 장치의 재료와 구조에 대해서 더 많은 연구가 필요하다.
하지만, 매우 작은 PV 면적을 필요로 하고 흐린 날에도 빛을 집광시킬 수 있으며 잠재적으로 저렴하고 매우 효율적일 가능성이 있는 이 태양 집광기는 이번 프로젝트를 발광태양집광기 분야의 연구들 중 가장 흥미로운 연구로 만들었다. GTB