유기태양전지
파장 1000나노미터에서 광전(光電) 변환성공 
고효율화에 기대
産業技術總合硏究所는 2종의 유기분자로 된 화합물을 사용한 유기태양전지로 파장 1000나노미터 이상의 근적외광을 전기로 변환하는데 성공했다. 유기태양전지를 이용할 수 있는 빛은 800나노미터 이하로 제한된다고 알려져 있었다. 유기태양전지의 고효율화로 이어질 가능성이 있다.
개발한 재료는 전자를 잘 방출하는 분자와 전자를 잘 받아들이는 분자가 교대로 겹쳐진 구조를 갖는다. 근적외 영역에서 강한 빛 흡수를 보여 종래의 유기반도체와 비교해서 2분의 1에서 3분의 1의 광자에너지로 전자를 여기할 수 있다고 한다. 또 레이저빛을 사용한 분석으로 유기태양전지의 효율화에 관여하는 전자와 홀의 대(對) 「여기자(勵起子)」가 퍼지는 거리가 유기태양전지에서 자주 사용되는 플라렌과 비교했을 때 1000배 이상을 보인다는 것을 알았다. 유기태양전지는 유기반도체를 광흡수층으로 이용한 것으로 제조가 용이하므로 대면적화와 저가화에 유리하다고 알려져 있다. 그러나 이용할 수 있는 빛이 파장 800나노미터 이하의 가시광 영역에 한정된다는 점과 여기자의 수명이 짧다는 점이 원인이 되어 변환효율을 향상할 수 없다는 점이 과제였다. 일간공업

염료감응형 반투명 태양전지
저렴하고, 풍부하고, 비독성이며 부식되지 않는 물질을 이용하여 만들 수 있고 어떤 크기로도 만들 수 있는 새로운 태양전지기술이 창조적인 옥스포드회사에 의해 개발되었다. 태양에너지를 이용하기 위해, 태양전지는 유리 혹은 다른 표면상에 프린트하게 되며 다양한 색상을 활용할 수 있어서 글레이징 패널(glazing panel)과 벽체에 적용한 태양전지를 이용해 새로운 건축물의 설계가 가능해진다.
Isis Innovation의 도움으로 설립된 Oxford Photovoltaics (Oxford PV)는 옥스포드대학의 기술이전회사로, 인공 광합성 전기화학 태양전지 및 반도체 플라스틱에 대한 연구를 접목시켜 고체 상태의 염료감응형 태양전지 제조법을 창안해 내었다. 본 장치는 박막(thin film) 솔라 테크놀로지 (solar technology) 형태로, 태양에너지 발전 분야에서 상대적으로 새로운 분야에 해당한다. 박막 기술의 발전은 사용되는 재료의 희귀성 때문에 현재 방해 받고 있다. 다른 염료감응형 태양전지는 액체 전해질의 휘발성 특성으로 인한 문제점을 내포하고 있다. Oxford PV의 기술은 액체 전해질을 고형의 유기 반도체(organic semiconductor)로 대체한 것으로써, 모든 솔라 모듈(solar module)을 유리나 다른 표면상에 인쇄하는 것을 가능하게 한다. 녹색은 전기를 생산하기에 가장 효율적인 반투명한 색상이며, 적색과 자주색도 우수한 성능을 보여주고 있다. 사용된 재료들은 풍부하고 환경에 무해하며 비용 또한 매우 적게 든다. Oxford PV에 따르면, 본 제품의 제조원가는 현재 가장 낮은 비용의 박막 기술을 이용한 것의 50% 미만에 불과할 것이며, 새로운 메커니즘은 결국 화석연료에서 생산된 그리고 보조금 지원을 받지 않은 상태의 전기 비용과 견주게 될 것으로 예측되고 있다. 본 기술은 광전지 물질을 창문이나 벽체 및 건물의 다른 부분에도 적용하는데 일대 변혁을 일으킬 것으로 기대된다. 최고경영자인 Kevin Arthur는, 본 기술은 이 분야의 돌파구에 해당한다고 강조하면서, 경제 및 제품의 수명에 대한 기준 마련을 위해 관련업계와 긴밀한 관계를 유지하고 있다고 밝히고 있다. 본 기술은 옥스포드대학 물리학부의 Henry Snaith 박사가 개발한 것으로, 본 기술이 갖는 가장 큰 장점 중 하나는 대규모 면적에 매우 쉽게 적용할 수 있다는 점이다. 또한 전해질 염료 전지에서 문제가 되고 있는 광범위한 밀폐나 캡슐화도 필요가 없다. GTB

축전지가 설치된 태양광 발전시스템
최근, 빌딩 및 가정에 태양광 발전시스템과 축전지를 세트로 설치하는 실험적인 시도가 활발해 지고 있다. 2010년 10월에 완성된 산요전기의 가사이(加西)사업소에는 출력 1,000kW의 태양광 발전과 1,500kWh 용량을 가진 리튬이온전지를 병설하였다. 다이와하우스공업은 2010년 7월에 태양광 발전(약 5kW)과 가정용 리튬이온전지(6kWh)를 설치한 실험주택을 모델하우스 2곳에 설치하여 운용을 시작하였다. 이토추(伊藤忠)도시개발은 태양광 발전과 축전지를 설치한 맨션을 건설 중으로 2011년 3월에 착공할 예정이다. 옥상에는 10kW의 태양전지와 24kWh의 리튬이온전지를 설치한다. 이러한 실증 프로젝트는 에너지의 자급자족 즉, 변동이 큰 태양광 발전의 전력을 축전지에 저장함으로써 야간 및 우천 시에 사용할 수 있도록 한 것이다.

(그림 1) 산요전기의 가사이사업소에서는 리튬이온전지(좌)에 야간전력과 태양광발전(우)의 전력을 저장하여 제어를 최적화함으로써 이산화탄소 25% 삭감을 목표로 한다.

(그림 2) 다이와하우스공업의 실험주택은 축전지(좌)에 야간전력을 저장하는 모드와 태양전지의 전기를 저장하는 eco 모드의 두 가지 패턴을 설정한다.

(그림 3) 시미즈건설의 기술연구소 본관에서는 태양전지(14kW)와 납축전지(163kWh, 우)를 설치하여 수요제어를 포함하여 20% 최고치 절약을 통해 이산화탄소 60%를 삭감한다.

현재, 태양광 발전의 고정가격 매입제도에서는 태양광 발전에 의한 전력을 저장하여 사용하는 것보다 전력회사의 송전선을 통한 전력판매가 수익성이 있다. 주택의 경우, 축전하여 사용하면 1kWh당 약 20엔을 절약할 수 있지만, 전력을 판매하면 약 48엔이 된다. 그런데, 축전지가 설치된 태양전지를 어필하는 이유는 태양전지가 대량으로 보급되는 장래의 상황을 고려한 것이다. 정부가 목표로 하고 있는 2020년에 약 3,000kW의 태양광 발전이 보급된 경우, 전력수요가 적은 휴일 등에 태양광 발전이 풀가동시켜 송전선에 전력을 보내면, 전력품질이 불안정하게 된다. 이 경우, 태양광 발전에 의해 생산된 전기를 고가로 매입하는 제도는 없어지게 되고, 전력 판매가격은 구입전력의 단가보다 낮아질 가능성이 높다. 태양광 발전에 의한 전기를 판매하는 것보다 축전지에 저장하여 사용하는 것이 이득이 된다.
재생가능한 에너지를 대량으로 받아들이는 스마트그리드에는 축전지가 반드시 필요하다. 축전지가 설치된 태양전지의 실증 프로젝트의 배후에는 미래의 거대시장을 둘러싼 주도권 경쟁이 있다. 리튬이온전지의 최대 생산기업인 산요전기는 가사이사업소에서 소형 축전지를 31만개 연결하여 대용량화 한 기술을 개발하여 모발일 용도가 아닌 대규모 전력 저장용 축전지 시장에서도 주도권 확보를 목표로 하고 있다.
다이와하우스 그룹은 리튬이온전지 관련 벤처기업인 에리파워에 약 30%를 출자하여 이 회사에서 생산된 축전지를 실험주택에 도입하였다. 이 회사의 리튬이온전지는 종래 방식과 비교하여 출력밀도가 약간 뒤떨어져 모바일 및 자동차보다도 정치용에 적합하다. 다이와하우스가 주택에 축전지를 설치하는 의의를 강조하는 것은 가정용 축전지 시장을 창출하여 그룹의 회사를 지원한다는 의미도 있다. 이토추도시개발도 모기업인 이토추상사가 미국 축전지회사에 출자하여 축전지 관련사업의 전개를 목표로 하고 있다. 장래 스마트그리드에 축전지가 반드시 필요할지라도 송전망에 축전지를 설치하는 부분에 관해서는 전문가들 사이에서도 의견이 다르다. 전력회사는 배전측에 설치하는 것을 권장하고 있다. 설치장소 및 비용을 고려하면 주택용 축전지는 복수의 주택에 한 개의 정치용 축전지가 될 가능성이 높다. 빌딩용 축전지는 커다란 관심사이며 이용자에 이점이 있으면 장래에 도입이 추진될 가능성이 있다. 축전지 제조사는 정치용 특히, 주택용 시장으로의 기대는 크지만, 시장의 행방은 태양광 발전 전력의 매입가격에 의존한다. 높은 매입가격에서도 정치용 축전지가 보급될 가능성이 있다. 예를 들면, 시간대에 의한 전력요금 가격차를 활용하여 값이 싼 야간전력을 저장하여 주간에 사용하거나, 주간의 최대 전력수요를 낮춰 계약용량을 줄임으로써 기본요금을 낮게 책정하는 경우이다. 산요전기 및 다이와하우스는 야간전력의 축전에 의한 비용절감을 제안하고 있다. 결론적으로 축전지의 도입비용이 경제성을 좌우한다. 스미즈건설은 연구소에 축전지를 설치하여 최대전력의 절감에 사용하고 있지만, 비용을 억제하기 위해 리튬이온전지가 아니라, 납전지를 채용하였다. 이토추도시개발은 전기자동차 등에서 사용한 중고전지를 정치용으로 재사용하여 도입 비용을 대폭적으로 삭감하고 있다. GTB

태양전지 개선에 영감을 준 곤충의 눈
나방 눈을 기초로 한 무반사 필름이 태양전지의 효율성을 증가시킨다. 밤에도 잘 볼 수 있게 해주는 나방의 눈에는 방수성 무반사 코팅도 덮여있다. 이 코팅은 나방의 눈을 자연에서 가장 적게 반사하는 표면들 중 하나로 만들고 어둠 속에서 포식자로부터 자신을 숨기는 데에도 도움을 주고 있다. 나방 눈의 미세구조를 모방한 일본 연구진이 태양전지를 덮기 위해 대량생산에 적합한 새로운 필름을 만들었다. 이 필름은 반사되는 빛의 양을 크게 줄여서 태양으로부터 더 많은 전력을 얻는데 도움이 될 수 있다.

그림 : 제조된 나방눈 필름의 두루마리. 이 두루마리가 녹색으로 보이는 것은 보호필름의 색깔 때문이다.

미국광학회에서 발간하는 공개접속 저널인 ‘Optics Express’의 격월제 부록인 ‘Energy Express’에 발표된 논문에서, 연구팀은 이 필름이 실험실 및 현장 실험에서 광기전 모듈의 성능을 어떻게 향상시키는지를 설명하고, 이 무반사 필름이 일본 도쿄나 아리조나 주 피닉스의 넓은 지역에 배치된 태양전지의 연간 성능을 얼마나 향상시킬 것인지를 계산했다. “표면반사는 모든 종류의 광기전 모듈에서 가장 중요한 손실이 되고 있으며, 궁극적으로는 적은 반사가 요구된다.”라고 나가오까공대(Nagaoka University of Technology) 과학자인 노보루 야마다(Noboru Yamada)는 말했다. 그는 미쓰비시 레이온(Mitsubishi Rayon Co. Ltd.)과 도쿄도메트로폴리탄대(Tokyo Metropolitan University)의 동료들과 함께 이번 연구를 이끌었다.
연구팀이 피닉스와 도쿄에 있는 태양전지에 이러한 무반사 나방눈 필름의 배치 효과를 조사하기로 선택한 이유는 피닉스는 연간 직사 일광량이 높은 ‘태양지대(sunbelt)’ 도시이지만 도쿄는 태양지대 지역에서 충분히 떨어져 있고 확산 태양복사량이 높기 때문이다. 연구진은 이 필름이 태양전지의 연간 효율을 피닉스에서는 6퍼센트, 도쿄에서는 5퍼센트 정도 향상시킬 것이라고 추정했다. “사람들은 이러한 향상이 매우 작다고 생각할지도 모르지만, 광기전 효율은 차량의 연료소비율과 비슷하다. 작은 양이라도 도움이 된다.”라고 야마다는 말했다. 야마다와 동료들이 이 신기술의 영감을 얻은 것은 그들이 자연에서 넓은 파장대의 전방향성 무반사 구조를 찾기 시작한 지 몇 년이 지난 뒤였다. 나방의 눈은 그들이 발견한 최고였다. 필름 제작 과정의 어려움은 필름을 나노임프린트 방식으로 만들기 위해 이음매가 없고 처리량이 높은 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 설계하는 것이었다고 야마다는 말했다. 이 문제는 결국 ‘Energy Express’ 논문의 공저자들 중 한 명인 히데끼 마쓰다(Hideki Masuda)와 미쓰비시 레이온의 동료들에 의해서 해결되었다. 현재 연구팀은 이 필름의 내구성을 향상시키고 여러 다양한 종류의 태양전지에 맞도록 최적화하는 연구를 하고 있다. 그들은 또한 이 필름이 창문과 컴퓨터 디스플레이의 무반사 코팅으로 응용될 수 있을 것이라고 생각한다. 이번 연구 결과는 ‘결정성 실리콘 광기전 모듈에서의 무반사 나방눈 필름의 특성’이라는 제목으로 발표되었다. GTB

중국, 염료감광태양전지 비요오드 산화환원전지
새로운 박막태양전지분야에서 염료감광태양전지는 제작비용이 적고, 제작공정이 간단하고 빛이 전기로 전환되는 효율이 높은 등 장점 때문에 시장잠재력이 있는 태양전지중 하나가 되고 있다.
염료감광태양전지는 새로운 세대의 박막태양전지연구중점으로 떠오르고 있다. 최근 중국과학원 물리 연구소/북경응집물리국가실험실 청정에너지원 실험실 Meng qing bo 연구팀과 Chen li quan원사, Li hong yan연구원, Wang zhao xiang 연구원 등이 공동으로 염료감광태양전지의 주요재료(광양극, current carrier 전송재료,전극)의 제조와 전지공업연구에 몰두하였다. 전해질분야에서는 단일 요오드이온전도체에 기반한 고체상태전해질, 낮은 성본, 친환경적인 고체상태전해질, 융합물전해질 등도 제의했다. 탄소전극분야에서는 신형의 탄소재료, 전기전도융합물 및 전극의 제조공정면에서 깊이 있는 연구를 하였다. 이런 연구는 국내외 같은 분야의 큰 관심을 받았다. 현재, 염료감광태양전지의 대전체전송재료는 주요하게 I3-/1- 를 기반으로 하여 만들어진 것이다. 이것은 비록 전자교환속도가 빠르고 광전자와의 복합속도가 늦은 등 장점을 가지고 있지만 치명적인 약점도 가지고 있다.
1) 대부분 금속을 놓고 볼 때 (예를 들면 Ag, Cu, Al 등 보통 금속), I3-가 매우 강한 부식성을 나타내지만 대면적 염료감광태양전지에서는 은(Ag, silver) 전도성 그물격자를 이용해서 전지의 저항을 줄이고 전류의 수집효율을 높여줄 수 있다. 그래서 은 금속을 보호하는 기술은 어려움에 부딪혔다. 동시에 금속 은 그물격자(grid)의 사용은 또 대면적 전지의 유효면적을 감소시켰고 전지부품의 전환효율을 낮추었다.
2) I2 단물질은 일정한 증기압이 있어서 전지의 안정성에 매우 큰 영향을 미치고 전지를 봉합하는데 높은 기술을 필요로 한다.
3) I3-/1- 대전체는 가시광에 대해 일정한 흡수작용을 한다.
4) I3-/1- 대전체의 사용은 전지의 열린 회로전압이 높아지는 것을 억제한다. 연구개발한 새로운 비요오드환원 대전체(CLP)는 염료감광태양전지에서 해결해야 될 중요한 과학적 과제이다.
 1) 값이 싸고 제조가 간단하며 금속에 대한 부식성이 현저히 감소되어 I3-/I- CLP보다 좋다.
2) 낮은 성본의 탄소전극에 사용하기에 적합하고 전지로 조립한 뒤 전지의 성능은 4.5%에 달하고 같은 조건에서의 백금(Pt)전극보다 우월하다. 그 외에도 전지의 계통적인 최적화과정을 통하여 더 높은 열림 회로전압을 얻을 수 있다.
상술한 연구내용은 Adv. Funct. Mater., 2010, 20, 3358에 실려있다. 이번 연구내용은 신형의 비요오드산화환원 CLP의 설계에 새로운 아이디어를 제공했다. 뿐만 아니라 염료감광태양전지의 실용화에 촉진작용을 한다. 이번 연구는 국가자연과학기금, 중국과학원국가과학기술프로젝트의 지원을 받았다. GTB

박막 태양전지 패널의 효율성에 대한 재고
최근 몇 년 동안 개발자들은 나노기술로 만들어진 광수확 박막 태양전지 패널을 연구해왔으며 기술의 상업화를 위해 효율성을 높여왔다. 그런데 이번에 텔아비브대(Tel Aviv University) 연구자가 태양전지 패널의 효율을 증가시키기 위한 최근의 ‘전하’ 측정법에 도전하는 새로운 증거를 제시했다. 전통적인 패널들보다 더 저렴하고 더 작은 해법을 제공하고 있는 텔아비브대 화학과의 에란 라바니(Eran Rabani) 교수는 박막패널에서 효율성을 높일 가능성이 있다는 몇몇 과대선전에 제동을 걸었다. ‘Nano Letters’와 ‘Chemical Physics Letters’에 최근 발표된 그의 연구는 더욱 현실적인 새로운 태양에너지 기술들의 개발로 안내할지도 모른다.
라바니 교수는 컴퓨터 시뮬레이션에 새로운 이론적 접근방식을 결합시켰다. “우리 이론은 효율성을 증가시키기 위한 현재의 예측들이 맞지 않을 것이라는 것을 보여준다. 효율성 증가는 하나의 광자로부터 다수의 전하 운반자들을 발생시키는 다중엑시톤 발생(Multiexciton Generation)을 통해서는 결코 달성될 수 없다.”라고 그는 말했다. 그러나 새 이론과 기존 이론들은 모두 미래 태양에너지 기술 분야에서 다른 전략들의 개발에 관해서 좋은 조짐이 되고 있다고 그는 말했다. ‘Science’와 같은 저널에 발표된 더 새로운 접근방식들은 태양에너지 기술의 효율성을 증가시킬 수단을 제공할지도 모르며, 아마도 태양에너지 저장에 유용할 수도 있을 것이라고 라바니 교수와 그의 연구진은 믿고 있다.

반도체 나노결정에서의 다중엑시톤 발생

화학물리학자인 라바니 교수는 태양으로부터 효율적으로 전하들을 분리해내는 법을 연구하고 있다. 2004년에, 물리학자들은 반도체 나노결정에서의 복잡한 작용을 통해서 하나의 광자로부터 하나 이상의 전자-정공 쌍들이 얻어질 수 있을 것이라고 제안한 바 있다. 만일 그 이론이 가능하다면, 전하가 갑절이 되어 태양에너지 효율이 증가할 것이다. “이러한 아이디어가 효과적이지 않다는 것을 우리가 증명했다.”라고 라바니 교수는 말했다. 태양에너지를 이용하기 위한 더 효율적이고 더 저렴한 장치를 개발하는 것은 오늘날 과학 분야의 가장 큰 도전들 중 하나다. 태양으로부터 전자 ‘전하’들을 모으기 위한 최선의 방법을 찾는데 수십억 달러가 쓰이고 있다. 일반적으로 태양으로부터 박막 태양전지 패널에 흡수된 하나의 광자는 하나의 전자-정공 쌍을 여기시킬 수 있으며, 그 뒤 이 전하들은 전기로 변환된다. 현재, 만일 광자가 흡수된 뒤에 더 많은 전자-정공쌍들이 여기될 수 있다면, 대량의 광자 에너지가 성공적으로 전기로 변환될 수 있으며, 그 결과 장치의 효율이 증가될 수 있다는 주장이 있다. 라바니 교수가 자신의 이스라엘 동료들과 함께 개발한 이론은 왜 이러한 과정이 애초에 생각했던 것만큼 효과적이지 않은지를 보여주고 있다. 이것은 더욱 효율적인 태양전지 패널을 만들기 위해 노력하고 있는 패널 생산자들에게는 나쁜 소식이지만, 효과적인 기술을 개발하기 위한 현실적인 방법을 자유롭게 모색하고 있는 연구자들에게는 희소식이 되고 있다. 라바니 교수는 현재 UC버클리에서 방문교수로서 안식년을 보내고 있다. GTB