태양전지 변환효율
실리콘에서 45% 초과
양자도트형, 싼값에
東北대학 流體科學硏究所의 寒川誠二 교수 등의 연구팀은 실리콘을 재료로 사용하여 에너지 변환효율 45% 이상을 전망할 수 있는 차세대 태양전지를 만드는 기본 기술을 개발했다. 「양자도트형」이라고 불리는 미세한 결정이 내부에 늘어선 태양전지로 현재 실용화되고 있는 박막 실리콘 태양전지와 같은 재료를 사용하면서 변환효율은 박막실리콘의 이론상의 한계치인 30%를 초과한다. 종래 실리콘은 균일한 양자도트의 제작이 어려워서 재료 원가가 실리콘의 10배 이상의 화합물 반도체를 사용하는 연구 개발이 주류였다.
寒川교수 등은 균일한 구조를 만드는 단백질을 이용. 단백질에 철 미립자를 포함시켜서 규칙적인 구조를 만든다. 단백질을 제거하고 남은 철이 등간격으로 늘어선 플레이트를 틀로 하여 실리콘 기판 위에 원반모양의 양자도트를 형성하는 방법을 개발했다. 공 모양인 일반적인 양자도트에 비해 원반모양은 두께를 조정하기 쉽다는 이점이 있다.
이번에 특히 직경 10나노미터 이하의 고밀도 실리콘 양자도트와 중간층으로서 탄화규소(SiC)를 조합시켰을 경우, 양자도트 태양전지의 고효율화에 없어서는 안 될 「미니밴드」라고 불리는 부분을 만들 수 있다는 것을 처음으로 확인했다.
자연에 존재하지 않는 인공적인 결정구로인 초격자 구조를 만들 수 있어 디바이스의 특성을 이끌어내기 쉬운 형상으로 자유자재로 제어할 수 있다고 한다. 결함이 없다는 점을 나타내는 실리콘의 발광현상도 확인했다.
양자도트 태양전지는 일반적으로 45-60%의 에너지 변환효율이 가능하다고 알려져, 2020년 이후에 실용화가 전망되는 차세대 태양전지의 유력한 후보라고 일컬어지고 있다. 화합물 반도체인 양자도트 태양전지는 고효율화를 기대할 수 있는데 실리콘에 비해 재료 원가가 비싸다. 한편, 실리콘은 양자도트를 균일하게 만들기 어려웠다. 寒川교수 등은 1, 2년 후를 목표로 태양전지의 시작을 추진하고 있다. 일간공업

(그림) 실리콘 양자도트 태양전지의 구조

박막실리콘 태양전지 - GE의 또 다른 희망
General Electric(GE)사는 최근 태양광발전이 조만간 화석연료와 경쟁할 수 있을 정도의 경제성을 지니게 될 것이라는 전망을 발표했다.
GE의 글로벌 연구 책임자인 Mark M. Little는 Bloomberg News와의 인터뷰를 통해 향후 5년 이내에 태양광발전의 경제성이 화석연료발전과 동일선상에 놓이게 될 것이라는 주장을 내놓았다. 엄밀히 따져봤을 때 Little이 제시한 전망의 근거로 내세우는 도매원가(Wholesale Cost)와 실제 소비자가 체감하게 될 소매원가(Retail Cost)에는 어느 정도 격자가 존재하며 따라서 Little의 전망은 다소 비약이 있을 수 있다. 하지만 이러한 점을 고려한다 하더라도 태양광 발전분야에 큰 도약이 일어날 것이라는 점은 분명해 보인다. Bloomberg와의 인터뷰를 통해 Little는 “우리가 목표로 하고 있는 킬로와트 당 15센트의 발전단가가 달성된다면 대부분의 가정이 태양광발전설비를 갖추려고 할 것”이라고 이야기 했다.
GE는 천연가스, 풍력발전 분야에 가장 많은 투자와 왕성한 활동을 하고 있는 기업이며 이러한 점을 봤을 때 GE의 태양광발전이 여타 발전방식에 비해 압도적인 경쟁력을 가질 것이라는 발표를 있는 그대로 받아들이기에는 무리가 있어 보인다. 하지만 GE의 최근 행보를 보면 태양광발전 분야에 큰 기대를 걸고 있음은 분명해 보인다. GE는 수년전부터 박막형 태양전지 연구에 많은 투자를 진행해 왔다.
2007년 GE는 세계 2위 규모의 CdTe태양광전지 업체인 Prime Star Solar사의 가장 큰 투자자가 되었다. Prime Star Solar사는 GE의 꾸준한 투자를 바탕으로 지속적인 연구개발을 통해 지난 4월 업계 최고수준인 12.8%의 CdTe태양전지를 개발하는데 성공하였으며 현재 400MW 규모의 CdTe생산라인을 건설하고 있다. Prime Star Solar의 이 CdTe태양전지 생산라인이 완성되면 Prime Star Solar사는 CdTe 태양전지 업계 1위를 차지하고 있는 First Solar사와의 본격적인 경쟁을 펼칠 것으로 보여 진다.
First Solar사는 지속적인 생산비용 절감을 통해 CdTe분야에서 부동의 1위를 차지하고 있는 업체로 Lux Research사와 같은 글로벌 기술 자문회사들로 가장 높은 경제성을 지닌 태양광전지를 만들어 내는 회사라는 찬사를 받고 있다. Little은 Bloomberg 통신과의 인터뷰에서 2013년 완성될 Prime Star Solar사의 CdTe생산라인에 대한 이야기를 반복하며 이 생산라인을 통해 자신들이 계획한 와트당 15센트의 발전단가를 달성할 수 있을 것이라고 강조했다.
GE사는 태양광 발전의 경쟁력을 높이기 위한 노력으로 태양전지 자체의 기술개발 이외에도 스마트그리드, 전력관리 시스템, 등과 같은 관련시스템 개발에 노력을 쏟고 있다. Prime Star사의 CdTe태양전지는 미국 신재생에너지 연구소(National Renewable energy Lab)의 Xuanzhi Xu 연구팀이 개발한 것으로 2006년 Prime Star사에 의해 상용화 되었다. ACB

색소증감 고분자 태양전지
계면에 색소가 집합하는 현상 해명
京都大學의 大北英生 준교수 등 연구팀은 색소증감 태양전지의 색소와 유기박막 태양전지의 고분자 재료를 조합하여 독자적으로 개발한 「색소증감 고분자 태양전지」에 대해서 색소가 고분자 재료와 플라렌의 계면에 자연스럽게 모이는 현상을 해명했다. 비누가 기름때는 없애주는 것과 마찬가지의 현상이 일어난다는 것을 밝혀냈다. 이런 스타일을 가진 태양전지의 성능향상으로 이어질 가능성이 있다.
비누로 대표되는 계면활성제는 표면 에너지가 작은 기름과 표면 에너지가 큰 물의 계면에 모여 이 둘을 섞어서 기름때를 없앤다. 연구팀은 독자 개발한 색소증감 고분자 태양전지를 구성하는 고분자 재료, 플라렌, 색서가 각각 비누의 대를 없애는 현상에서 말하는 기름, 물, 계면활성제의 관계에 있다고 보고 표면 에너지에 주목했다.
표면 에너지를 측정한 결과, 고분자, 색소, 플라렌의 순서로 커지고, 색소가 중간 표면 에너지를 갖는다는 것을 알았다. 다시 고분자에 색소를 섞은 막과 플라렌에 색소를 섞은 막을 만든 결과 전자는 표면 에너지가 작은 고분자가 표면으로 드러나고 후자는 표면 에너지가 작은 색소가 드러났다. 비누로 기름때가 없어지는 현상과 마찬가지로 표면 에너지에 따라서 색소의 배치가 결정된다는 것을 밝혀냈다.
연구팀은 고분자 재료를 사용한 유기박막 태양전지에 특정한 색소를 도입하면 변환효율이 향상된다는 것을 발견했다. 일간공업

우수한 내구성의 태양전지 개발
오하이오 클리블랜드 Case Wes-tern Reserve 대학교에 ACerS Fellow와 교수직을 맡고 있는 Roger French 교수는 장기적 내구성과 수명을 가진 태양광 시스템과 재료의 연구의 선두주자이다. 대학의 현재 보고에 따르면 최근 Ohio’s Third Frontier Wright Projects Program에 의해 $2.88만 달러가 French 교수가 책임자로 있는 Solar-Degradation and Lifetime Extension Center에 지원될 것이다. S-DLE를 위한 산업 파트너로 DuPont Photovoltaic Solutions 와 Underwriters Laboratories, 내구성 테스트 전문 Q-Lab, solar micro-inverter를 생산하는 eQED 그리고 CdTe 박막회사 Xunlight26이 포함되어 있다.
S-DLE는 가속화되는 날씨 조건에서도 PV 시스템을 테스트하고 온도, 습기, 결빙-해빙 주기 그리고 태양 방사능에서도 극한 상황에서도 테스트 하기 위한 능력을 가질 것이다. (노출이 1000개 이상의 태양과 동등하다.) 이 센터는 재료, 성분 혹은 시스템을 평가하기 위한 실내?외 테스트 장비를 보유할 것이다.
French 교수의 또 다른 프로젝트의 보조금은 Ohio Third Frontier Commission에 의해 지원되는 증가된 PV 시스템 거울의 수명과 내구성 연구와 그 거울 개발을 하기 위한 Replex Plastics (Mt. Vernon, Ohio)과 함께 사용하고 있다. Replex는 2008년에 태양 집중 거울을 개발하는 것에서 시작되었다.
특히 구름이 햇빛만큼 풍부한 북쪽 지역에 유용한데 포물면 거울이 10배 이상의 태양 에너지를 집중시킬 수 있고 전력을 발생시키는데 필요한 실리콘의 양을 줄일 수 있다. Replex가 태양 거울 시장에 나왔을 때 PV 시스템 제조자들은 태양 집중 거울을 가진 시스템의 20-25년 품질보증을 제공하는 것을 꺼려하는 것을 알았다. 이런 거리낌은 빠른 전력 악화를 발생시킨 Carissa Plains Calif. 에서 거울 증가와 함께 PV 모듈 배열 사건의 발생이었다. 이 전력 생산량은 단지 4년안에 40%의 감소를 가져왔고 거울이 그 원인이라고 생각되어졌다.
후속 테스트는 아마도 높은 온도에 의한 악화와 거울에 의해 발생한 자외선의 집중으로 전력 감소의 근원인 에틸렌-비닐 아세트산 공중합체의 갈색화를 가속시키는데 이르렀다. Replex는 400nm 이하의 파장에서 UV반사율을 차단하는 거울에 대한 몇몇의 문제를 해결하였다. 개선된 집중 거울과 PV모듈에서 저하 메커니즘의 이해는 제조자들이 품질보증에 관한 자신감을 가질 수 있도록 개선된 디자인과 시스템 결과를 가져왔다. ACB

태양전지를 이용한 LED조명
재해 시의 상야등(常夜燈)으로 제안
三井住友建設이 완성
三井住友建設은 재해 시의 상야등으로 활용할 수 있는 태양전지 판넬과 축전지를 내장한 솔라 발광 다이오드(LED)조명을 완성했다. 공원 등에 설치할 수 있는 「솔라 LED 가로등」과 이동식 「포터블 솔라 LED 조명등」을 라인업. 자회사인 SMC테크(千葉縣 流山市)가 외판과 렌탈로 제공한다.
가로등은 재해 피난소 등의 용도, 조명등은 야간공사나 이벤트장 용도가 되며, 전원이 필요치 않아 이산화탄소(CO2)를 저감하는 조명설비로서 제안한다. 본체 가격은 가로등의 보급 타입이 77만 7000엔이며 설치비가 별도로 약 5만 엔. 고급 타입은 수주 생산으로 가격은 상담 후 결정된다. 조명등은 58만 8000엔. 첫해 판매목표 등은 설정하지 않았다.
교세라(京セラ)의 태양전지 판넬과 리튬이온전지를 설비. 가로등은 완전 충전으로 연속 50시간, 조명등은 27시간 점등한다. 조명등은 교류(AC) 100볼트의 충전방식도 준비했다. 일간공업

새로운 태양전지에 사용될 신소재 - Glass frontsheet, 반사 방지 코팅
활성화물질을 이용하여 가격을 낮추어 PV 모듈을 제작하는 데 많은 관심이 몰려있다. 실제 폴리실리콘 응용 시장이 두 자릿수 성장에도 불구하고 2010년 4사분기의 하락과 비슷하게 2011년 1사분기에 5~7%정도 실리콘 가격이 하락하였다. 그러나 결정질 실리콘 PV 모듈의 1/3을 포함한 PV 비활성 물질 또한 포함한 것이다. Lux Research의 새로운 보고에서 몇몇 중요 비활성물질을 개선하여 모듈 공급자와 제작자에게 중요한 기회를 줄 수 있다 제한하였다.
Lux는 PV 모듈의 유리 프로트쉬트와 프론트쉬트의 반사방지코팅에 관한 두 가지 유리 관련 기회에 주목하였다. Lux의 분석자이자 이 보고의 주저자인 Jason Eckstein은 플로트글래스가 PV에 더 적합한 유리로써 로울유리나 배향된 유리를 대체할 수 있을 것이라 예측하였다. 그는 플로트글래그 제작자들이 로울유리의 우수한 투과율과 비슷한 강화저철분 유리를 제공하고 있다고 한다. 또한 그는 플로트글래스의 싼 제작비용이 거의 확실히 변화를 가져올 것이라 말하고 있다. Eckstein에 따르면 Solar World(미국과 독일 스웨덴의 생산설비)는 이미 플로트글래스를 사용하고 있다. Eckstein은 유리의 반사방지코팅이 결정질 실리콘과 박막형 모듈 안의 프론트쉬트의 기준이 될 것이라 예측한다.
최소반사의 효과는 상당히 효과적이고 Eckstein은 반사방지코팅이 제곱미터당 $4 이하가 가능할 것이라 말하고 있다. 코팅으로부터오는 모듈 효율의 증가(코팅과 지리학적 장소에 의존하는 약 3~6%)는 추가비용의 타당함을 보여준다. Lux 보고서의 제목은 다음과 같다. “Critical to Quality: Illuminating Drivers for Change in Solar Non-Active Materials”. ACB

태양전지용 실리콘 웨이퍼 생산단가 절감을 위한
DOE의 재정지원
태양전지의 제조와 관련된 다양한 공정 및 모듈조립비용은 지속적으로 감소되는 추세이다. 하지만 아직까지 태양전지의 제조원가의 상당부분을 공정 및 조립비용이 차지하고 있는 실정이다. 미국 에너지부(DOE: Department Of Energy)는 태양전지의 제조단가 절감과 이에 따른 태양전지보급의 활성화를 위해 1366Technology사와 Calisolar Inc.사에 대한 재정적 지원계획을 발표했다.
1366Technology사와 Calisolar Inc사는 태양전지 생산원가의 가장큰 부분을 차지하는 실리콘 웨이퍼를 생산하는 회사이다. DOE의 발표에 따르면 이번 재정지원은 대출의 형태로 이루어지며 그 규모는 Calisolar Inc는 2억7천5백만불, 1366Technology사는 1억5천만불에 달한다고 한다. 하지만 Calisolar Inc사는 DOE의 이번 발표가 있기 며칠 전 관련프로젝트의 중단을 발표했다. 계획대로였다면 Calisolar Inc에 대한 지원은 DOE의 태양광발전 분야 최대의 재정지원이 될 예정이었지만 Calisolar Inc는 Ohio주에 건설 예정이었던 태양전지용 웨이퍼 생산단지의 입지조건 및 주정부와의 계약조건에 대한 이견 때문에 웨이퍼 생산단지의 건설을 전면 유보한 상태이다.
DOE의 이번 재정지원은 지금까지 DOE가 진해해왔던 여타의 재정지원과는 다르게 DOE에서 모든 재정적 위험부담을 감수한다고 하며 이러한 결정은 1366Technology의 경영안정화 및 금융비용 절감에 매우 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. Calisolar Inc사의 프로젝트 중단과 관계없이 1366Technology에 대한 지원은 계획대로 진행될 예정이다. 1366Technology사는 웨이퍼생산 비용을 절감을 위해 Direct Wafer Technology라는 기술을 이용하고 있다. Direct Wafer Technology 기술은 실리콘 잉곳을 웨이퍼의 형태로 절단하는 과정에서 벼려지는 실리콘을 최소화하는 기술로 이를 통해 하나의 잉곳에서 생산할 수 있는 웨이퍼의 개수를 증가시켜 웨이퍼의 생산단가를 절감시킨다.
“태양전지용 웨이퍼의 생산단가가 2020년 까지 매년 10%씩 낮아질 것”이라는 예측으로 잘 알려진 Emanuel Schs는 MIT의 교수이자 1366의 창업자로 Schs의 예측대로라면 2020년경이면 태양전지의 발전단가는 석탄을 이용한 화력발전보다 더욱 경제적인 발전방법이 될 것으로 보인다. 1366Technology사는 Direct Wafer Technology이외에도 실리콘 태양전지의 효율을 높이기 위한 다양한 기술을 개발하고 있다. 1366Technology사의 보도자료에 따르면 DOE의 이번재정지원에 힘입어 1366Technology사의 웨이퍼 생산량은 년 700~1,000메가와트 규모에 이르게 되고 웨이퍼 생산단가는 최대 50%까지 절감될 수 있을 것이라고 한다. 1366Technology사의 새로운 웨이퍼 생산단지는 메사스세츠주의 Lexington에 건설될 예정이며 수 백명의 정규직 일자리를 창출 할 것으로 예상된다. Calisolar사는 DOE의 재정지원 관련 프로젝트는 중단 시켰지만 그 밖의 다른 프로젝트를 통해 태양전지용 실리콘 웨이퍼생산단가 절감을 위한 노력을 진행 중이다.
실리콘 웨이퍼생산 업체인 6N사는 Calisolar Inc. 사의 자회사이다. 99.9999를 의미하는 6N을 사명으로 사용하는 이 회사는 저가의 저품질 실리콘을 가공하여 고품질 실리콘을 생산한다. Calisolar Inc. 사에 따르면 6N사가 보유한 실리콘 정제기술을 이용하면 고품질의 실리콘 웨이퍼를 현재생산단가의 50%에 해당하는 비용으로 제조할 수 있을 뿐 아니라 기존의 웨이퍼 생산라인에 비해 훨씬 적은 규모로 생산라인을 구축할 수 있어 추가적인 생산비용 절감을 기대할 수 있을 것이라고 한다. DOE의 보고서에 따르면 Calisolar Inc.와 6N사가 계획 중인 실리콘웨이퍼 생산라인의 가동이 시작되면 연간 16,000톤(와트기준: 연간 2기가와트)에 달하는 태양전지용 고품질 실리콘웨이퍼 생산이 가능할 것이라고 한다. ACB

태양광 발전 시스템
접어서 운반
납축전지와 세트 발매
전자부품 제조회사인 KFE JAPAN은 운반할 수 있는 태양공 발전 시스템을 6월 1일자로 발매했다. 태양광 발전 판넬 부분을 접을 수 있도록 했다. 동일본 대지진의 영향으로 자가발전의 수요가 많아지고 있는 것에 대응한다. 가격은 15만 7500엔. 2011년도에 약 2억 엔의 판매를 목표한다.
발매할 「모바일 솔라 전력공급 시스템」은 발전한 전기를 모을 수 있는 납축전지와 세트로 만들었다. 세로 554밀리미터, 폭 479밀리미터의 태양광 판넬을 두 장 탑재하고 손잡이 부착으로 접어서 운반할 수 있다. 일경산업