태양전지의 변환효율 향상
실리콘잉크 미국 회사와 대리점 계약
丸紅은 태양전지의 에너지 변환효율을 높일 수 있는 기술을 가진 미국 이노바라이트(캘리포니아주)와 일본에서의 판매대리점 계약을 체결했다. 이노바라이트는 태양전지의 발전소자(셀)에 도포하여 변환효율을 1볼트 정도 향상시키는 재료 「실리콘 잉크」를 취급한다. 일본의 태양전지 메이커에 채용을 권장한다. 丸紅의 산업기계부 태양전지 관련 상품의 매상고는 현재 250억 엔. 3년 후에 태양전지의 셀 . 웨이퍼 분야에서 50억 엔을 증가시켜 매상고를 300억 엔으로 끌어올릴 계획이다.
실리콘잉크는 직경 5나노-10나노미터의 고순도 실리콘 입자로 이루어진다. 일반적인 스크린 인쇄의 방법을 사용하고, 셀 제조 공정 도중에 실리콘잉크를 도포한다. 기존 라인에 공정을 하나 추가함으로써 태양전지 셀의 변환효율을 개선할 수 있다.
이노바라이트는 자사의 실리콘잉크를 사용한 높은 변환효율 프로세스를 개발. 丸紅은 고객에 잉크와 함께 이 생산 프로세스의 노하우를 제공한다. 이노바라이트의 실리콘잉크는 셀 생산 대기업인 중국 JA솔라와 인리, 타이완의 모텍 등이 채용했다.
태양광 발전 시스템 관련 메이커는 태양광 에너지를 전기로 바꾸는 변환효율의 향상에 힘을 쏟고 있다. 일간공업

태양빛을 연료로 바꾸는 인공잎
MIT Daniel Nocera 교수 연구팀은 살아있는 나뭇잎과 같은 인공잎이라고 불리는 새로운 소자를 개발하는 데 성공했다. 이번에 개발된 소자는 직접적인 방법으로 태양빛을 화학 연료로 변환할 수 있다. 변환된 연료는 에너지원으로서 저장되어 다시 사용될 수 있다.
양면에 서로 다른 촉매성 물질이 부착된 실리콘 태양전지인 인공잎은 외부적인 전력공급과 동작을 위한 추가적인 회로가 필요하지 않다. 햇빛에 노출되기만 하면 빠르게 버블의 흐름이 발생되며 한쪽 면에서는 산소 버블이 다른 면에서는 수소 버블이 발생된다. 두 면을 분리하는 벽을 가진 용기에 넣어두면 두 종류의 버블 흐름은 따로 수집되고 저장되며 이는 전력원으로서 사용될 수 있다. 이렇게 저장된 것을 연료전지에 넣으면 서로 혼합이 되어 전류를 발생시킬 수 있다.
Nocera 교수는 이번 장치는 실리콘, 코발트, 니켈과 같은 매장량이 풍부하고 값싼 소재로 만들어 질 수 있다고 말했다. 또한 일반적인 물에서 작동할 수 있다고 했다. 이는 기존의 백금과 같이 상대적으로 값비싼 소재를 사용하면서 부식성 용액에서만 작용하는 소자와는 차이를 보이는 것이다.
인공잎은 얇은 박막의 반도체 실리콘 박막으로 만들어진다. 실리콘은 코발트를 기반으로 하는 촉매 박막과 결합되고, 이러한 촉매 금속은 산소를 발생시키며 햇빛으로부터 연료를 생산할 수 있는 잠재성이 있는 소재로서 2008년 Nocera 교수와 그의 동료 연구원들에 의해서 발견되었다. 실리콘 박막의 다른 면은 니켈-몰리브데넘-아연 합금 층으로 코팅되어 있으며 물 분자에서 수소를 분리한다.
인공잎은 실리콘 태양전지 양면에 서로 다른 새로운 촉매 금속이 부착된 구조를 이룬다. 태양빛에 노출되면 물속에 있는 소자는 물 분자로부터 산소와 수로를 분리하고 여기에서 전류의 흐름을 발생시킨다.
새로운 소자는 아직 상업적으로 사용될 준비는 되어 있지 않지만, 이번 시스템은 태양빛으로부터 직접적으로 연료를 만들고 저장할 수 있는 소자를 만드는 그 첫 발걸음이라고 Nocera 교수는 말했다.
“궁극적으로는 미래에는 각 가정마다 이와 같은 원리로 태양열 수집장치를 가지고 있는 것이다. 지붕 위의 패널은 태양빛으로부터 수소와 산소를 만들어 저장고에 저장하고 이를 원할 때마다 전기로 변환하게 될 것”이라고 Nocera 교수는 말했다.
또한 이번 기술은 저렴하고 간단하게 만들 수 있기 때문에 이러한 기술이 전세계적으로 널리 활용될 수 있기를 바란다고 말했다. 이를 통해서 그는 현재 전기를 공급받지 못하는 많은 곳에 전기가 공급되기를 희망한다고 밝혔다. GTB

태양전지용 다결정 실리콘
말레이시아에 새 공장
도쿠야마는 제2기 다결정 실리콘 플랜트를 말레이시아에 건설하기로 결정하고, 2015년 1월에 연간 1만 3800톤을 생산하는 새 공장을 가동시키겠다고 발표했다. 투자액은 약 1000억 엔. 이 회사는 2013년 가을에 가동 예정인 연간 생산 620톤의 제1기 플랜트의 건설을 추진하고 있으며, 아울러 이 나라에서 생산할 수 있는 능력은 연간 2만 톤이 된다. 1기, 2기 모두 태양전지용. 자금조달방법은 미정. 경합 타사의 대규모 증산 계획에 경쟁력을 확보하기 위해 미리 제1기 공사를 결정했다.
빠른 증설 결정의 배경에는 독일의 와카케미가 2013년 안에 미국에서 연간 생산 1만 5000톤의 플랜트를 가동시키는 등의 경합 상대의 연이은 대규모 증산 계획이 있다. 당초는 제1기 완성 후에 제2기 공사를 결정할 예정이었다. 새 공장에서는 고순도 실리콘을 생산할 수 있는 디멘스법을 사용한다. 2012년 4월부터 건설을 개시할 예정.
이에 앞서 일본에서는 약 110억 엔을 투자하여 2013년 봄까지 德山製造所(山口縣 周南市)에서 생산능력을 연 1800톤 상승시킨다. 이 회사의 다결정 실리콘은 풀 생산하는 상황이므로 조기의 능력 증강으로 수요로 인한 생각지 못한 패배를 방지한다. 반도체에서 이용할 수 있는 품질의 생산에도 대응한다. 이 제조소의 생산능력은 연 1만 1000톤이 된다.
세계 점유율을 태양전지용의 경우 현재의 5%에서 10% 이상으로 높이고 반도체에서 20% 이상의 유지를 목표로 한다. 일간공업

고분자 태양전지에 2종류의 색소
변환효율 향상
京都大學의 大北英生 준교수 등의 연구팀은 색소와 고분자 재료를 조합시켜서 독자적으로 개발한 「색소증감 고분자 태양전지」에 대해, 2종류의 색소를 도입하여 1종류의 색소를 도입한 태양전지보다 변환효율을 높이는데 성공했다. 특정한 파장의 빛을 흡수하는 색소를 섞어서 스핀코트(원심력에 의한 성막)만 하면 간단히 제작할 수 있어 범용성이 있는 수단으로 기대할 수 있으리라 보고 있다.
실리콘 프탈로시아닌(SiPc)와 실리콘 나프탈로시아닌(SiNc)라는 2종류의 색소를 플라렌을 함유하는 화합물 PCBM과 폴리헥실티오펜(P3HT)라는 고분자 재료를 섞어서 스핀코트로 셀을 시작한 결과, 변환효율은 4.3%를 보였다. SiPc나 SiNc만인 1종류의 색소를 섞은 셀은 각각 변환효율이 4.1%, 3.7%였다. 두 색소를 섞지 않은 셀은 3.5%였다.
색소 SiPc는 고분자 재료가 흡수하기 어려운 파장 660나노 - 690나노미터 정도의 빛을 잘 흡수한다. 이번에 다시 파장 760나노 - 790나노미터 저도의 빛을 잘 흡수하는 SiNc를 추가했다. 서로에게 악영향을 주지 않고 여러 가지 파장의 빛을 활용할 수 있음을 확인할 수 있었다.
연구팀은 고분자 재료를 사용한 태양전지에 부피가 큰 색소를 도입함으로써 변환효율을 높이는데 성공했다. 일간공업

높은 내후성 타입 투입
태양전지 시트용 발매
富士필름은 태양전지의 백시트용으로 두꺼우며 열수축이 잘 일어나지 않는 높은 내후성 폴리에틸렌 텔레프타레이트(PET)필름을 발매한다. 올해 안에 판넬 생산에 사용할 수 있는 광폭 샘플의 출하를 시작으로 수주에 맞춰 판매한다. 이 필름은 수축이 적어 접합 공정에서 원자재를 아끼는데 도움이 된다. 이 회사는 이 제품에는 신규로 열수축 성능과 고내후성을 도입하여 타제품과 차별화하여 수주 획득을 노린다.
일반 고내후성 필름은 태양전지 모듈에 수분이 침투하지 못하도록 하기 위해서 대폭 늘여서 얇게 만들어 수축이 일어나는 예가 많다. 신제품은 250마이크로미터 두께에서도 얇은 제품과 동등한 성능을 낼 수 있다. 열수축률은 표준이 0.5% 이하. 또 두꺼운 제품은 전기절연성도 높다.
이 제품을 85℃, 습도 85%의 상태로 2000시간 놓아두었다가 잡아당겨 파단(破斷)실험을 한 결과, 파단한 샘플은 거의 제로로 높은 내후성을 확인했다. 이 실험에서 1000시간은 일반 환경의 약 10년에 상당한다고 한다. 이 회사는 종래 PET필름을 자사 제품용으로 생산해 왔으나 몇 년 전부터 외판을 개시. 판매 확대를 위해 제품군을 확대하고 있다. 일간공업

박막 실리콘 태양전지의 전력변환효율을 최대화할 디자인 최적화
실리콘은 언제든지 이용이 가능하고, 가공이 용이하며, 매우 안정적이고 독성이 없는 물질이다. 또한 태양전지를 제조하는데 가장 좋은 재료 중의 하나이다. 그러나 가장 효율적인 실리콘 기반의 태양전지를 제조하기 위해 필요한 실리콘의 높은 품질과 순도는, 원가비용을 낮추는데 장애가 되고 있다.
원가를 줄일 수 있는 한 가지 방법은, 빛 흡수를 향상시키기 위해 현미경적으로 표면가공(textured surface)한 박막 실리콘을 사용하는 것이다. A*STAR 마이크로 전자연구소의 Navab Singh 등은, 표면가공된 박막 태양전지의 전력변환효율에 영향을 미치는 몇 가지 핵심 인자에 대해 소개하고 있으며, 빛 흡수를 최대화하고 생산원가를 최소화할 나노기둥(nanopillar) 디자인을 제시하고 있다. 현재까지 가장 성능이 뛰어난 박막 실리콘 태양전지의 효율은, 기존의 벌크(bulk)형 실리콘 태양전지의 절반 정도에 불과하다. 적절한 수직 나노기둥 디자인을 다양하게 연구해 봄으로써, 연구팀은 감소된 재료의 질 및 양에 의해 야기되는 효율손실을 보상하기 위한 박막의 빛 포획 및 빛 수집 효율을 향상시킬 수 있다고 밝히고 있다.
   연구팀은 박막 태양전지의 성능에 영향을 미칠 수 있는 다양한 요소들에 대해 연구하였다. 이런 요소들에는 나노기둥의 길이, 지름뿐만 아니라 나노기둥 간의 거리도 포함되어 있다. 다른 중요한 요소로 태양전지내 (+)로 하전된 층과 (-)로 하전된 층의 디자인을 들 수 있는데, 이것은 흡수된 빛에 의해 형성된 전기 매개체를 분리하는데 필요하다.
연구팀의 시뮬레이션에 따르면, 나노기둥의 바깥 쪽에 있는 (-)로 하전된 층의 두께는 가능한 얇아야, 빛에 의해 생성된 매개체가 전력 생산에 기여하는 층 사이의 접합부를 통과하는 기전에 참여하기 전에 소멸되는 기생흡착(parasitic absorption) 현상을 감소시킬 수 있다. 또한 연구팀은 (+) 및 (-) 층 사이의 접합부가 나노기둥 상부에 국한된 axial junction 디자인이, 나노기둥 전체를 (-) 층이 둘러싸고 있는 기존의 radial junction 구조에 비해 더 높은 개방전압(open-circuit voltage)를 만들어 낼 수 있다는 것도 발견하였다. 따라서 이들 요소들 간의 균형은, 표면가공 박막 구조에서 빛-동력 전환 효율의 최적화 설계를 위해 필요하다는 것을 연구팀은 보여주고 있는 것이다. 이로써 더 값비싼 단결정 실리콘 태양전지의 효율에 맞먹는 박막 실리콘 태양전지의 출현을 가능하게 할 것이다. GTB

나노입자의 연결에 의해 만들어진 저렴하고 효과적인 태양전지
네덜란드 델프트 공대(the TU Delft)의 카블리 연구소(Kavli institute)의 연구자들이 전자들이 빛의 영향아래 연결된 반도체 나노 입자들의 층 사이에 자유롭게 움직일 수 있다는 사실을 입증했다. 이러한 사실들은 저렴하고 효과적인 양자점 태양전지(quantum dot solar cell)의 개발에 매우 유용할 것으로 예측된다. 연구진은 이와 관련된 연구 결과를 9월 25일 Nature Nano-technology지에 “Unity quantum yield of photogenerated charges and band-like transport in quantum-dot solids”라는 제목의 논문으로 발표했다.

▶ 효율적이고 편리하며 저렴한 특성
현재의 결정 실리콘 태양전지 패널(crystalline silicon solar panel)은 생산하는 데 많은 비용이 소모된다. 또한 저렴한 형태의 태양전지는 존재하지만 이들의 경우 효율성이 매우 떨어진다는 문제점이 있다. 예를 들어, 유기 태양전지는 최대 효율이 약 8%에 불과하다. 이러한 저렴한 태양전지의 에너지 변환효율을 증가시키는 방법 중의 하나는 반도체 나노입자(semiconductor nanoparticle)와 양자점(quantum dot)을 이용하는 것이다.
이론적으로 이들 태양전지의 에너지 전환 효율은 44%까지 증가할 수 있다. 이러한 것들은 부분적으로 델프트 공대(the TU Delft)와 FOM재간이 2008년 입증한 바 있는 쇄도 효과(avalanche effect)*(GTB2008050671)에 기인한다.
현재의 태양전지에서 흡수한 빛 입자는 오직 하나의 전자를 활성화시키는(그 결과 전자-홀 쌍을 만들어낸다) 반면, 양자점 태양전지에서는 빛 입자가 여러 개의 전자들을 활성화시킨다. 전자들이 보다 많이 활성화될수록 태양전지의 효율성을 더욱 증가하기 때문에 이 경우가 보다 더 효과적이라 할 수 있다.

▶ 연결된 나노입자들
지금까지, 빛의 영향 하에서 전자-홀 쌍(electron-hole pair)의 생성은 오직 양자점의 한계 내에서만 입증된 바 있다. 태양전지에서 이를 이용할 수 있게 하기 위해서는 전자와 홀(hole)들이 이동될 필요가 있다. 이것이 전극에서 수집될 수 있는 전류를 만들어낼 수 있게 하는 것이다. 동 연구 그룹의 연구자들은 나노입자 사이에서 전자-홀 쌍(electron-hole pair)들이 자유 전하처럼 움직일 수 있다는 것을 입증했다. 그 결과 연결된 형태의 많은 나노입자들이 매우 작은 분자들을 이용해 만들어졌으며 다른 것들은 따로 떨어져 존재하는 것과 달리 이들은 매우 높은 밀도로 뭉쳐져 존재한다는 것을 확인할 수 있었다. 실제로 나노입자들이 함께 뭉쳐져 있을 수 있었기 때문에, 태양전지에 의해 흡수되는 모든 빛 입자들은 전자의 이동을 유발할 수 있다.

쇄도 효과(avalanche effect)*
일부 반도체 나노결정에서 하나의 광자가 두 개 또는 세 개의 전자를 방출할 수 있으며, 이러한 개념의 용어가 쇄도 효과이다. 쇄도 효과의 기본 원리는 p-n접합에 역방향으로 가한 전압이 어느 값 이상이 되면 큰 운동 에너지를 얻은 전자가 가전자대에 있는 전자를 전도대로 끌어올리고, 이 전자가 또 같은 일을 되풀이하여 전도 전자가 급격히 증가하는 효과를 나타내는 것을 의미한다.

쇄도 효과는 이론적으로 교정된 반도체 나노결정으로 구성된 태양 전지에서 최대 생산량을 44%까지 낼 수 있다. 게다가 새로운 유형의 태양 전지는 상대적으로 적은 비용으로 제조될 수 있다.
GTB

이동식 태양광 발전기
비상용과 공사현장에
리크랜드(東京都 文京區, 사장 市ヶ谷昌典)는 피난소나 가설주택 등 장소를 불문하고 발전할 수 있는 이동식 태양광 발전기를 발매했다. 210와트의 단결정 태양전지를 2장 탑재하여 300와트의 전기기기를 약 8시간 연속해서 사용할 수 있다.
출력 전압은 100볼트이므로 일반 주택의 비상용 발전기나 공사현장 등에서 이용도 전망한다. 가격은 126만 엔, 렌탈료는 하루 약 2만 엔을 상정한다.
태양광 발전기 「선브레스-A」는 높이 62센티×폭206센티×깊이 150센티미터, 무게는 약 140킬로그램. 네 개의 바퀴와 견인용 핸들이 부착되어 있어 간단하게 이동할 수 있다. 태양전지의 각도를 25, 30, 35도로 3단계로 바꿀 수 있어 태양의 궤도에 맞춰 효율적으로 발전할 수 있는 설계. 축전지를 갖추고 있어. 야간 사용에도 대응한다. 앞으로 1킬로와트 타입도 투입 예정으로 「이벤트 등 보다 많은 전력을 사용하는 장소에서의 사용도 제안해 나갈 것이다」(市ヶ谷사장). 이 발전기는 실리콘 웨이퍼를 제조하고 있는 M. I. T(大阪市 中央區)제품. 리크랜드는 이 제품에 대한 동일본 지역 총대리점을 체결했다. 일간공업

태양광으로 식물 효율적 재배
三菱樹脂, 千葉大에 실증 시설 완성
三菱樹脂(東京都 中央區, 사장 吉田宏)는 참가했던 컨소시엄에서 태양광 이용형 식물공장의 실증시설을 완성했다고 발표했다. 千葉大學 안에 설치한 것으로 태양광과 함께 발광다이오드(LED)로 국소 보광(補光)하므로 폐쇄형 식물공장에 비해 저가화를 전망할 수 있다. 또한 양액재배 등의 기술을 살려서 단위면적 당의 수확략이 통상 재배법의 2.5배가 되는 식물공장 모델의 확립을 목표로 한다.
이 식물공장에서는 자외선 차단 타입의 고기능 필름을 사용한 농업 하우스와 1단 밀식 양액재배 시스템, 하우스 안에서 토마토를 이동시킬 수 있는 설비를 활용하여 생산성을 높일 수 있다. 당도 6 전후의 토마토를 재배하여 생산성과 원가, 에너지 절약성 이외에 토마토를 시험 판매하여 결제성을 검증한다.
이 사업은 農林水産省에 의한 모델하우스형 식물공장 실증.전시 .연구 사업으로 이 회사와 자회사인 MKV드림(동 中央區)등으로 구성된 컨소시엄이 진행하고 있다. 일간공업