결정계 실리콘 태양전지의 독주와 박막 태양전지의 추격
기술시장 조사 기관인 Lux사가 최근 발표한 보고서에 따르면 결정질 실리콘 태양광 발전모듈 시장이 실리콘 웨이퍼가격 하락 및 관련 산업 성장에 따른 생산원가 절감을 바탕으로 박막실리콘, 카드뮴텔룰라이드(CdTe), 구리-인듐-갈륨-셀레늄(CIGS)으로 대표되는 박막태양전지 모듈시장을 압도하는 형국이 지속되고 있다고 전하고 있다. Lux 보고서는 현재의 태양광 시장에 대해 “모든 태양광 발전모듈 업체들이 수익률 향상을 위해 생산원가 절감과 태양전지의 효율증가에 모든 역량을 투입하고 있다. 하지만 실리콘 관련기술의 높은 성숙도와 다결정실리콘 웨이퍼의 가격하락세가 지속되면서 결정질 실리콘을 이용한 태양전지 모듈의 시장점유율과 영향력이 지속적으로 증가하는 추세이다.”라고 설명하고 있다. 보고서는 또한 많은 박막태양전지 업체들이 결정질실리콘 태양전지모듈의 지속적인 가격하락에 맞서 수익률 창출에 큰 어려움을 겪고 있으며 이러한 상황이 지속될 경우 더 이상의 존속이 어려울 정도의 상황에 처해있다고 지적했다. CIGS기반의 원통형 태양전지 생산업체인 Solyndra사는 2009년 3월 캘리포니아에 제2 생산 공장을 건설하기 위해 미국에너지부(DOE)로부터 5억3천5백만 달러의 자금지원을 받았다. 하지만 Solyndra사는 수익률하락에 따른 적자가 계속되면서 제1공장의 폐쇄와 함께 190명을 감원을 단행하였으며 캘리포니아에 건설 중이던 제2공장의 건설도 연기한 상황이다. ‘모듈 가격구조 붕괴: 박막태양전지는 과연 결정질 실리콘 태양전지의 맹공 속에서 살아남을 수 있을까?’라는 제목의 Lux 보고서는 결정계 실리콘 태양전지 시장의 80%를 차지하고 있는 결정계 다결정태양전지가 더 낮은 와트 당 발전단가를 달성하기 위한 박막실리콘, CdTe, CIGS등의 박막태양전지와의 경쟁에서 어떻게 우위를 찾을 수 있을 지에 대해 매출원가(COGS: Cost-Of-Goods-Sold)관점에서 분석하고 있다. 결정질 실리콘 태양전지는 현재까지 안정성, 효율, 발전단가 등의 다양한 필요조건들을 동시에 만족시키는 장점을 바탕으로 시장점유율, 발전량 등에서 박막태양전지들을 압도하고 있다. CdTe태양전지의 경우 결정질 태양전지에 비해 낮은 발전효율을 갖지만 가장 낮은 와트 당 발전단가를 갖는다. “2015년 까지는 결정계 실리콘 태양전지와 CdTe태양전지만이 높은 수익률을 가져다 줄 수 있을 것으로 예상합니다.” Lux Research의 수석 분석가인 Ted Sullivan은 이야기 했다. “당분간 박막태양전지의 수익률은 기대에 미치지 못할 것으로 판단됩니다. 단 CIGS 태양전지의 경우 생산기술 개발을 통한 공정안정화가 이루어 질 것으로 예상되는 2013년 이후에는 결정계 실리콘 태양전지를 넘어서는 최초의 박막태양전지가 될 수도 있을 것이라 생각됩니다.” 다음은 Lux의 보고서를 요약한 것으로 태양전지 종류별 기술 및 시장 전망을 예측하고 있다.
쪾결정계다결정실리콘태양전지 : 결정계다결정실리콘태양전지 태양전지는 웨이퍼 및 제조장비 가격하락 등에 힘입은 COGS 감소에 따라 향후 수년간은 수익률, 시장점유율 면에서 1위의 자리를 놓지 않을 것으로 전망된다. 2009년 기준 결정계 결정계다결정실리콘태양전지의 와트 당 발전원가는 1.45달러이며 다결정실리콘 웨이퍼의 톤당 가격을 70달러로 가정했을 때 2015년에는 0.93달러까지 낮아질 전망이다. 발전효율 증가는 결정계다결정실리콘태양전지의 발전원가를 낮추는데 가장 큰 역할을 할 것으로 보인다. 2009년 평균 14%의 결정계다결정실리콘태양전지 효율은 2015년 16.1%에 이를 것으로 예상된다.
쪾박막실리콘 태양전지: 스위스의 대기업인 OC Oerlikon사가 박막실리콘 태양전지의 시장성을 획기적으로 향상시킬 것으로 보인다. OC Oerlikon의 최신 박막실리콘 태양전지 생산라인은 9%정도에 머무르고 있는 박막실리콘 태양전지 효율을 11%까지 향상시켜 줄 것이라고 한다. 뿐만 아니라 OC Oerliko 생산라인의 높은 생산량은 2009년 와트 당 1.32달러인 발전원가를 2015년까지 0.80달러로 낮춰줄 것으로 예상된다.
쪾CdTe 태양전지: CdTe 태양전지기술은 COGS에 있어 오랜 기간 동안 1위 자리를 유지할 수 있을 것으로 예상된다. First Solar사는 CdTe분야에 있어 독보적인 위치를 차지하고 있는 기업으로 First Solar사의 발전원가 절감 기술은 계속해서 발전하고 있다. 2009년 기준 와트당 0.80달러인 CdTe 태양전지의 발전원가는 2015년 0.54달러까지 떨어질 것으로 전망된다. 
쪾CIGS 태양전지: CIGS 태양전지는 박막태양전지 분야에서 가장 각광받고 있는 기술로 전 세계적으로 가장 활발한 연구가 진행되고 있는 분야이기도 하다. 다른 종류의 태양전지와 비교했을 때 CIGS태양전지는 효율증대에 따른 발전단가 감소가 가장 뚜렷이 나타날 것으로 전망되는 분야로 현재 10%수준인 발전효율을 14.2%까지 향상시킬 경우 1.69달러인 와트 당 발전원가를 0.76달러로 절감시킬 수 잇을 것으로 예상된다. 또한 CIGS태양전지의 생산량과 수율증가를 통한 추가적인 발전원가 감소가 이루어질 경우 CIGS 태양전지의 수익률은 30%이상도 가능할 것으로 예상된다.
미국의 결정계실리콘태양전지 모듈업체인 SunPower사는 Lux사의 보고서가 예상한 바와 같이 2010년 애널리스트들의 예상을 뛰어넘을 정도의 높은 수익을 달성했다. 2010년 10월 Sun Power사는 AU Optics와의 공동연구를 통해 최소효율 22.2%의 태양전지 제조에 성공했다고 발표했다. ACB

염료감응형 태양전지의 효율향상을 위한 광반사층
고체 염료 감응형 태양전지(Solid-state dye-sensitized solar cells)는 빠르게 개발되고 있는 연구 영역으로, 높은 전력 변환효율과 낮은 제조원가가 흥미를 끌고 있기 때문이다. 이런 기기의 태양전지의 성능을 개선하기 위한 추가적인 많은 노력들이, 빛 흡수를 증가시키는데 집중되어 왔다. 이것은 가시광선 및 근적외선의 강하게 흡수할 수 있는 염료의 설계를 통해 이루어질 수 있다.
최근 발간된 연구에서, 미국 스탠포드대학, 스위스 로잔 연방공과대학교(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne) 및 중국 과학원은 서로 다른 접근방법을 사용하여, 염료감응형 태양전지가 더 많은 빛을 흡수하도록 하기 위해 플라즈모닉 후면 반사층(plasmonic back reflector)의 개발에 초점을 맞추었다. 연구팀은 강력한 흡수능력이 있는 유기 염료로 만들어진 태양전지가, 패턴화된 후면반사층을 사용할 때 효율이 증가한다는 것을 보여주고 있다.
연구팀은 태양전지의 이산화티타늄 층에 나노돔(nanodome) 어레이를 갖춘 몰드를 가압함으로써 후면 반사층을 제작하였다. 결과적으로, 염료감응형 태양전지의 은 전극은 표면에 하니컴(honeycomb) 패턴을 갖게 된다. 이런 제작기법은 저렴하고, 확장 가능하며, 최종적인 나노패턴의 특성에 대한 조절이 용이해진다.
두 가지 다른 종류의 염료로 만들어진 태양전지의 실험에서, 패턴화된 전극을 사용할 경우 그렇지 않을 경우에 비해 기기의 성능이 증가됨을 확인할 수 있었다. 실험자료와 이론적 연구를 토대로 볼 때, 패턴화된 은 전극은 유입되는 빛을 플라즈모닉 모드로 유도함으로써, 빛을 태양전지의 면으로 이동하게 하고 반도체 층으로의 확장이 되도록 한다. 강력한 유기 염료 흡수층의 개발과 후면 반사층을 결합시켜, 미래의 좀더 효율적인 염료 감응형 태양전지의 개발을 더욱 용이하게 한다. GTB

태양광 집열 발전시스템의 효율증대를 위한 유리 렌즈시스템
유리만으로 만들어진 광학렌즈가 태양광 집열 발전시스템(Concentrated solar power System)의 효율 개선을 위한 핵심요소로 사용될 것으로 보인다. Silicon Valley에 위치한 Solergy사에 따르면 내구성, 신뢰성 그리고 뛰어난 집광성을 모두 갖춘 유리야 말로 CSP 시스템의 성능을 끌어올려줄 렌즈시스템의 재료로 가장 적합하다고 한다. Solergy사 최근 이탈리아의 Sicily에 유리 렌즈시스템이 적용된 100 킬로와트 규모의 CSP 시스템을 공급했다. “애초부터 우리는 높은 신뢰성을 가진 CSP시스템을 구상하고 있었기 때문에 유리이외의 다른 재료를 이용한 렌즈시스템을 고려해 본적이 없습니다. 장기적인 관점에서 봤을 때 유리를 따라올 재료는 아직 없다고 생각합니다.” Solergy사의 CEO인 Yoav Banin은 이야기 했다. 최근에 생산된 대부분의 CSP시스템은 렌즈시스템의 재료로 아크릴소재 또는 실리콘(Silicone)이 코팅된 유리를 사용하는데 이 재료들은 뿌옇게 변하거나 황색 빛으로 변화하는 경향을 갖는다. Solergy사에 따르면 유리만으로 만들어진 렌즈시스템은 더 이상 폴리머 계열의 물질로 만들어진 렌즈시스템 보다 비싸지 않다고 한다. “우리는 오직 유리만으로 구성된 고정세의 대형 렌즈를 낮은 비용으로 제작할 수 있는 매우 경제적인 공정을 개발하였으며 이 공정에 대한 특허권을 획득했다.”고 Solergy사의 간부는 이야기 했다. Solergy사에 따르면 그들이 개발한 유리렌즈시스템이 적용된 최신 CSP시스템은 32.9%의 에너지 변환효율을 보여준다고 한다.
National Renewable Energy Lab를 통해 인증된 Solergy사의 CSP시스템의 공식 에너지 변환효율은 29%로 업계최고 수준을 자랑한다. Solergy사의 유리렌즈 시스템은 광학효율의 최적화와 높은 광학적 균일성을 갖도록 설계되었다. ACB

마이크로태양전지를 이용한 표적치료
미국 물리학회에 따르면 El Paso에 있는 Texas Univertisy의 조교수인 Tao Xu에 의해 초소형 태양광 소자가 체내에서 각 조직에 약물을 배달하는 장치로 활용할 수 있도록 하는 기술이 개발되었다고 한다.
전 세계의 많은 의사들이 정상세포까지 해칠 수 있는 강력한 약물이 필요한 조직에만 투여될 수 있도록 하는 표적치료법의 개발을 위한 연구를 진행하고 있다. Tao Xu의 연구팀이 개발한 이 소자는 조직 곳곳을 돌아다니다가 빛이 쬐어지고 있는 종양을 지나갈 때 발생된 전기를 이용 소자내부에 담겨져 있던 약물을 방출하도록 설계됐다. 소자를 작동시키기 위한 빛으로는 적외선 또는 레이저가 사용되며 이 빛들은 피부 조직으로 부터 10cm이상의 거리를 투과할 수 있다고 한다. Xu와 그의 동료들은 그들의 연구결과를 57회 AVS(Vacuum science society associated with AIP) 국제 학술회를 통해 발표하였다. ACB

태양광을 이용한 수처리
높은 에너지 비용은 폐수를 정화하는 데 가장 문제가 된다. 과학저널 Biomicrofluidics를 통해 발표된 연구는 가장 저렴하게 얻을 수 있는 에너지원인 태양광을 이용하여 오염 물질을 분해할 수 있는 두 가지 기술을 결합한 새로운 시스템을 제안하였다. 광자유체공학(optofluidics) 기술에는 매우 작은 채널로 물을 이동시키는 마이크로유체(Microfluidics)기술과 오염물질을 분해하기 위하여 빛을 이용하는 광촉매(Photocatalysis) 기술이 결합되어 있다.
본 연구의 저자인 Hong Kong Polytechnic University의 Xuming Zhang은 이 두 기술은 개별적으로 발전되어 왔으나 두 기술 간의 자연적인 시너지 효과를 얻기 위한 노력은 거의 수행되지 않았다고 말했다. 그들의 결과는 광촉매의 효율면에서 커다란 향상을 보여준다.
연구진은 평면의 마이크로유체 반응기를 제작하였다. 이것은 산화타이타늄으로 코팅된 두 개의 평판으로 만들어진 사각형의 체임버이다. 이 반응기가 햇빛에 노출되면, 코팅층에서 전자가 빠져 나와 물 속에 존재하는 오염물과 반응하여 이것을 무해한 물질로 분해시킨다. 이것이 이 프로세스의 광촉매 부분이다. 마이크로유체 반응기의 높은 표면적은 촉매가 햇빛을 포획하는 능력을 향상시킨다. Zhang은 평판의 수치를 2 제곱미터로 확장할 계획을 가지고 있다.
현재 가지고 있는 소규모의 반응기로 반응의 개념은 확인하였지만, 시간 당 1,000 리터를 처리할 수 있을 정도로 규모를 확대하고자 한다. 만약 대규모의 반응기가 효율적인 것으로 판명된다면, 이 반응기를 병렬로 연결하여 산업폐수의 처리에 응용할 수 있을 것으로 보인다. GTB

LED로 의사태양광
발전량을 예측 지역별로 재현
東京理科大學의 大川和宏 교수는 발광다이오드(LED)를 사용하여 태양광과 비슷한 빛을 만드는 장치를 개발했다. 약 30종류의 LED를 조합시켜 휘도와 시간대가 다른 태양광의 색조합과 빛의 양을 재현한다. 실내에 있으면서 지역별로 최적인 태양전지의 발전량을 예측할 수 있다고 한다. 계측기 메이커 등과 손잡고 2012년 후반에 실용화할 목적으로, 태양전지 메이커에 이용을 제안해 나갈 예정이다.
태양전지는 빛을 에너지로 바꾸는 「에너지 변환효율」이 발전량을 크게 좌우한다. 이번에 개발한 신형 장치는 빛을 구성하는 가시광선이나 자외선, 적외선의 양을 자유자재로 조정하여 전지의 개발에 도움이 되도록 한다.
파장이나 밝기가 다른 약 30종류의 LED를 가로 세로로 늘어놓고 각각의 LED의 빛을 독자 개발한 장치에 모아서 구경 3센티미터 정도의 구멍으로 발광시킨다. LED의 각각의 전류값을 컴퓨터를 사용하여 미세하게 제어함으로써 가시광선이나 자외선의 양을 조정하여 지역이나 시간대에 맞는 의사태양광을 만들어내는 시스템. 태양광은 오전 9시 무렵에서 정오까지 자외선의 양이 늘어나 저녁이 되면서 줄어든다. 위도도 낮은 편이 발전량이 늘어나는 등의 특징이 있다고 한다. 태양전지도 지역 특성에 맞추어 최적의 에너지 변환효율을 추구하고자 하는 메이커가 많을 것으로 보고 있다.
태양전지의 개발을 추진하는데 또한 에너지 변환효율의 예측 등은 필요불가결하다. 현재는 태양전지 메이커가 특수한 가스를 채운 유리 속에 전기를 흐르게 하여 의사 태양광을 만드는「키세논램프」를 사용하고 있다. 단 이 램프는 지역마다의 빛의 색조나 양을 재현하기가 어려웠다고 한다. 새 장치를 사용하면 태양전지 메이커는 전지를 각 지역으로 가져가 시험을 하지 않아도 되는 이외에 고객에 대해 지역이나 시간대에 따른 발전량을 세심하게 전달할 수 있게 된다.
새 장치는 태양광의 열을 에너지로 바꾸어 발전하는 태양열발전의 평가에는 적합지 않다고 한다. 大川교수는 東京理科大에서 산학 연대를 추진하는 연구팀 「어드번스트 디바이스 라보라토리즈(ADL)」을 결성. 각 연구자가 개발한 기술을 한데 모아 신제품의 개발 등을 추진하고 있다. 새 장치는 계측장치 메이커 등에 권유하여 조기 실용화할 계획이다. 일경산업