차별화된 미세 태양전지 기술 개발
태양전지는 얼마나 작게 만들 수 있는지 그리고 발전소에 사용할 수 있는 최소크기는 어느 정도인가? 볼펜(ballpoint pen)에 의해 만들어질 수 있는 점의 지름 정도 크기인 600 미크론(microns: 1미터의 100만분의 1) 길이의 폭을 가진 태양전지는 어떠한가? 미에너지부의 미국립재생에너지연구소는 최근 Semprius社에 의해 만들어진 미세 태양전지가 1,000개의 태양에서 나오는 에너지 농도에서 41% 이상의 효율성을 가지고 있음을 증명하였다 - 이 농도에서 가장 높은 효율성을 기록한 태양전지 중 하나이다. 태양전지의 에너지 변환효율성은 햇빛을 전기로 변환할 수 있는 태양전지의 퍼센트(percentage)이다.
미국신재생에너지연구소 기반의 SunShot Incubator Program에 참여를 하고 있는 전문가들과 함께 미에너지로부터 출원이 된 시드머니(seed money: 종잣돈)은 Semprius社가 태양전지 세계에서 실제 차별화된 제조업체들에 새로운 아이디어(idea)를 가지고 소규모 전기 기업으로 창업하는 데 투입되었다.

Semprius社의 3중 접합전지들은 갈륨비소(새로운 반도체재료로 금속간 화합물의 일종)로 구성되어 있다. 저비용 렌즈(lense)들은 미세전지 위에 햇빛을 1,100배 정도 집광할 수 있다. 이들 전지의 미세한 크기는 전지가 전체 태양모듈이 설치될 지역을 1000분의 1 정도로 줄여줄 수 있음을 의미한다. 그로 인해, 모듈 비용은 감소하게 될 것이다. 뿐만 아니라, 많은 양의 소형 전지의 사용은 태양전지 구조에 있는 원치 않은 열을 분산하는 데 도움을 줄 것이다. 따라서 열교환기와 같은 고비용의 열관리 하드웨어(hardware)가 필요 없게 되었다.
Semprius社 공학자들은 이러한 미세태양전지로 하여금 성장배양기로부터 웨이퍼(wafer)로 전이(변형, 이동)가 될 수 있게 해주는 Semprius社의 특허 소형-전사 인쇄 프로세스를 사용하고 있다. 거대한 평형 프로세스에서 수천 개의 전지들이 동시에 전이(변형, 이동)가 될 것이다. 이는 본래 배양기를 지속해서 사용될 수 있게 해줄 것이며, 그 결과 비용을 엄청나게 절약시켜줄 것이다. 뿐만 아니라, 이는 매우 작은 전지를 조절할 수 있는 방법을 제공해줄 수 있다.
Semprius社 경영진들이 제조비용을 50% 정도 삭감해줄 수 있다고 말하고 있는 이 저비용 접근방식은 에너지 관련 거대기업인 Simens社의 눈에 들어왔다. Simens社는 올해 Semprius社 지분의 16%를 매입하였다. 이는 벤처캐피탈리스트(venture capitalists)로부터 2천만 달러 규모의 투자금 중 일부분으로 이루어졌다.

■ 민간투자를 촉진하고 있는 Sunshot Incubator Program
2007년 이후, 미에너지부는 태양광 인큐베이터 프로그램(PV Incubator program), 즉 미국신재생에너지연구소의 SunShot Incubator Program에 참여하고 있는 35개의 태양에너지 관련 신규기업들을 위해 5천만 달러를 투자하여왔다. 이러한 기업에 실행이 된 민간투자는 현재 13억 달러 이상이다.
미에너지부와 미국신재생에너지연구소는 2010년 태양광 인큐베이터 프로그램 선정기업 중 하나로 Semprius社를 선정하였다. 인큐베이터 기업들은 실제 워킹 프로토타입(working prototype) 또는 파일럿 프로젝트(pilot project)에서 그들의 개념을 발전시키기 위해 1백만 달러에서 3백만 달러를 투자받았다. 그리고 이들 기업은 신뢰성과 타당성을 검증하고 장애요소들을 극복하는 데 도움을 줄 수 있는 미국재생에너지연구소 과학자들의 도움을 얻을 수 있다.

■ 혁신적인 태양전지 진화를 가능하게 해주는 전사 인쇄 기술
Semprius社의 배경 이야기가 John Roigers 교수와 그의 연구팀이 전사-인쇄 프로세스를 개발한 일리노이 대학교(University of Illinois)에서 시작하였다. 그리고 이는 유연한 전자를 위한 것이다. Rogers 교수는 집광형 태양광 발전기술에 이러한 기술을 적용하는 것은 더 높은 수익창출을 가능하게 해줄 수 있다고 말하였다.
Semprius社는 원래 갈륨비소 배양기 위에 일시적인 층을 성장시키고 있으며, 그리고 나서 그러한 층 꼭대기 위에 다중접합 태양전지 구조를 성장시키고 있다, 웨이퍼가 가공된 이후, 전사 인쇄 프로세스는 갈륨비소 배양기에서 태양전지를 제거하기 위해 사용되어졌으며, 이는 인터포저 웨이퍼(interposer wafer)에 이들 전지들을 전이(변형, 이동)시키기 위해 사용된다.
Semprius社위 태양광 인규베이터 선정기업이 되기 위해 집광형 태양광 발전기술 전문가이자 기초 실험가인 Kanchan Ghosal 연구원은 다음과 같이 말하였다. “우리는 실용화되어 왔던 것에 완벽하게 다른 접근방식을 사용하고 있다. 이러한 접근방식은 고집광 태양광 모듈에 물질들의 사용을 많이 감소시키기 위해 미세-태양전지와 전사 인쇄기술을 사용하고 있다. 그리고 만들어진 미세전자 프로세스와 설비를 토대로 이는 태양광 모듈을 만들기 위한 고평형 방법을 제공하고 있다.”

■ 집광형 태양광 발전기술에 대한 수요가 매년 2배 정도 성장할 것으로 예상
Semprius社는 올해 헨더슨(Henderson)에 제조공장을 건설을 시작하였다. 노스캐롤라이나주(North Carolina)와 지역 기관들은 50,000 평방피트 발전소를 위해 7백9십만 달러를 투자하였으며, 이는 완벽한 기공시점에 256명의 사람들을 고용할 것으로 예상된다.
노스캐롤라이나 Bev Perdue 주지사는 교육 및 고용창출 관련 그녀의 주정부 투자를 Semprius社가 노스캐롤라이나를 선정한 이유로 인용하여왔다. 이 공장은 내년에 가동을 시작할 예정이다. 이 공장은 먼저 5MW의 발전용량을 가지고 있으며 궁극적으로는 35MW 규모까지 성장하게 될 것이다.
고집광형 태양광 발전기술을 위한 이용가능한 시장은 향후 9년 동안 매년 2배 이상 성장할 것으로 예상된다. 그로 인해, 2020년 10GW 규모 이상에 도달할 것이라고 Sempirus社 최고경영자인 Joe Carr 회장은 말하였다.
미에너지부와 미국신재생에너지연구소 간 파트너십은 매우 긍정적인 결과를 창출할 것이다.
미에너지부의 에너지 효율성 및 재생에너지 부서로부터 “차세대(Next-Gen)” 지원금의 도움을 받은 Semprius社는 2007년 태양전지를 위해 미세-전사 인쇄 기술을 사용하고 있다.
2010년, Semprius社는 미에너지부로부터는 자금지원을 받고 미국신재생에너지연구소가 운영하는 태양광 인큐베이터 프로그램에 4분의 1의 현금을 벌고 있다. Ghosal 연구원은 그가 태양광 인큐베이터 프로그램에 지원을 마치고 선정이 된 미칠듯하게 흥분한 그 순간을 기억할 때 웃음이 번질 수 밖에 없다.
이와 관련하여 Ghosal 연구원은 다음과 같이 말하였다.
“우리는 태양광 인큐베이터 프로그램 선정기준을 가까스로 충족시켰다. 이 프로그램에서 우리에게 당신이 열정적으로 모듈을 준비해야만 하고 있음을 강조하였다. 하지만, 우리는 실제 모듈이 아닌 한쌍의 전지를 가지고 있는 소형 모듈만을 가지고 있었다. 따라서 Semprius 공학자들은 쉬지도 않고 정말 열심히 일을 하였으며, 우리들 최초의 모듈을 만들 수 있었다. 제출 마감일 이틀 전 우리는 우리가 만든 최초의 모듈로부터 정말 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 우리는 이 모듈과 향후 계획을 가지고 태양광 인큐베이터 프로그램에 지원하였다.”
Ghosal 연구원이 Semprius社 공학자들에게 그들이 미국신재생에너지연구소에 의해 만들어진 공격적인 목표와 맞추기 어려운 마감일을 충족시킬 수 있는지 없는지에 대해 물어보았을 때를 다음과 같이 회상하고 있다. “나는 많은 걱정과 두려움을 가지고 만남을 가졌다. 미국신재생에너지연구소는 이전에 수행되어지 않았던 많은 제품을 요청하였다.”
하지만, 모두가 정말 열심히 하였고 마침내 Semprius社는 미국신재생에너지연구소 계약의 엄격한 명령(지령)에 통할 수 있다라고 생각하는 것 이상을 획득할 수 있는 가장 최신의 인규베이터 기업이 되었다.
Ghosal 연구원은 이와 관련하여 다음과 같이 말하였다.
“이는 다량의 명령처럼 보였다. 하지만, 우리는 우리들 목적 모두를 충족하였다.”
Semprius社를 위한 미국신재생에너지연구소의 기술감시자인 Kaitlyn VanSant 연구원은 이 기업이 너무 적절하게 목표를 맞추어가고 기술적으로 진보하고 있다고 말하였다. VanSant 연구원은 다음과 같이 말하고 있다. “그들은 실제 원래 예상했던 것보다 훨씬 빨리 우리들의 목표와 그들의 목표를 달성하였다. 이러한 목적들은 사실 엄청나게 공격적이었다. 하지만, 그들은 본래 스케쥴보다 더 빨리 이러한 목적들을 달성하였다.”
내년 가동이 시작될 노스캐롤라이나 공장에서 만들어질 모듈들은 24인치×18인치이며, 2.5인치의 깊이를 가지게 될 것이며, 1,100개 이상의 태양에너지를 집광할 수 있다. 뿐만 아니라, 31% 이상의 효율성을 가지게 될 것이다. 이러한 모듈들은 화석연료 기술과 충분히 비용경쟁적이 될 수 있다.
Ghosal 연구원은 미국신재생에너지연구소의 역할이 정말 중요하다고 말하였다.
이와 관련하여 Ghosal 연구원은 다음과 같이 말하였다.
“많은 초기 혜택들은 미국신재생에너지연구소가 수행할 수 테스트로부터 나올 것이다. 미국신재생에너지연구소는 국제적으로 인증된 테스트 프로그램을 가지고 있다. 이 프로그램은 특별한 결과를 강조할 수 있는 한 가지이다. 하지만, 미국신재생에너지연구소에서 타당할 것이라고 한 것을 말하는 것과 다른 것들이다. 이는 신뢰성 스탬프(stamp)를 제공해주고 있다. 뿐만 아니라, 우리는 미국신재생에너지연구소로부터 어떻게 우리가 사용하고 있는 물질 조건에서 어떻게 업무를 적극적으로 수행해야만 하는지에 대해 배웠다. 우리는 어떻게 이러한 분야에서 수행할 수 있는지에 대한 이해를 얻었으며, 반드시 고려하고 지켜보아야 할 것에 대한 몇몇 중요한 충고 및 조언을 얻을 수 있었다.” GTB

태양광 발전에 축전 시스템을 조합한 새로운 시스템 개발

그림. 시스템 구성도

■ 시장 동향과 새로운 시스템 도입의 배경
재생 가능 에너지를 활용한 저탄소 사회의 실현과 지진 이후 급속히 높아지는 전력 공급 불안 해소를 위해, “재생 에너지”와 “축적 에너지”를 활용한 피크 컷과 피크 시프트에 의한 전력 수요의 평준화 및 전력 지산 지소가 요구되고 있다. 주택용 태양광 발전 시스템은 국가의 보조금 제도가 활성화된 2009년 1월과 같은 해 11월에 시작된 잉여 전력 매입 제도 등을 통해 2011년도에는 설치 총 수가 100 만호를 돌파할 것으로 전망되고 있다. 향후에는 연평균 약 12 % 증가로 보급될 것으로 예측되고 있다. 또한 고정식 리튬 이온 배터리 시스템은 2011년도부터 최대 3년간의 도입 지원 사업비인 210 억엔의 보조금이 정부에 의해 결정되었다. 올해는 축전 시스템의 보급 원년으로 본격적인 시장 형성이 기대되고 있다.

■ 에너지 관리 시스템 (EMS)에 의한 고효율 총 에너지 제어 실현
쿄세라는 시장 동향을 고려한 에너지 관련 연구 개발을 진행하여 자체 기술을 활용한 에너지를 활용하는 EMS를 개발했다. 태양 전지와 축전지는 제어를 위해 파워 컨디셔너가 필요하다. 이에 가정에서 사용하는 다양한 가전 제품과 함께 상용 전력 (계통)과 연계시켜 가정의 에너지를 효율적으로 제어하는 기술을 개발하였다.
따라서 일본 국내 시장 점유율 2 위의 쿄세라와 니치콘이 태양광 발전에 세계 최대의 삼성 SDI (Samsung SDI Co, Ltd) 사의 리튬 이온 배터리를 채용한 축전 시스템을 더한 새로운 시스템을 개발하였으며 효율적으로 컨트롤하는 것이 가능하다. 향후, “재생 에너지” 태양광 발전 시스템, “축적 에너지”의 축전 시스템을 연계시켜, 교세라의 에너지 관리를 통해 가정 에너지를 보다 효율적으로 운용하는 시스템을 실현하였다.

■ 새로운 시스템의 특징
각 업계 최고인 3사(社)의 기술을 활용한 EMS를 개발하여 보다 효율적인 컨트롤이 가능하다.
- 태양 전지 업계에서 최고인 교세라의 태양광 발전 시스템
- 신뢰성이 요구되는 EV 자동차 축전 시스템에서 니치콘의 축전 장치
- 리튬 이온 전지 세계 최대의 삼성 SDI 배터리

① 고내 대용량 리튬 이온 배터리를 탑재한 축전 시스템
납축전지에 비해 약 5 배 내구성을 가진 리튬 이온 배터리를 탑재했다. 7.1kWh의 대용량 타입으로, 중량은 약 200kg 크기는 높이 120cm, 폭 90cm, 깊이 35cm으로 되어 있다.
② 고객의 생활 패턴과 요구에 맞춘 다양한 제어 모드를 탑재
가정의 전기 사용량이 낮에 많은가 야간에 많은지 등 고객의 생활 패턴 및 에너지 비용 절감을 우선하거나 전력 확보를 우선할지 등 고객의 요구에 맞게 다양한 제어 모드가 있다.
③ 재해 (정전 시)에는 자립 운전 자동으로 전환하여 전력 공급 안심 기능 탑재
정전이 오래 지속하더라도, 맑은 날 낮에는 태양 전지로 발전한 전력을 축전 시스템에 충전할 수 있는 자립 운전 기능이 있다. 야간이나 우천 시에도 전력 이용이 가능하며, 안심하고 사용하실 수 있다. GTB

태양광 발전기술을 활용한 전기자동차 개발
리버사이드(Riverside) 지역은 UC리버사이드 대학교 Bourns 공과대학 환경 연구 및 기술센터에서 수여된 2백만 달러를 활용하여 태양으로부터 전기자동차의 동력을 제공하는 기술 분야에서 선도적인 위치를 점할 수 있게 될 것이다.
남부해안 대기정화 관리국(South Coast Air Quality Manage -ment District)에 의해 지원을 받고 있으며, 많은 공공 및 민간 파트너(partners)들이 몰입을 하고 있는 2년 길이의 프로젝트는 태양에너지 발전설비 및 발전된 형태의 전지 저장장치, 자동차 충전소, 전차, 그리고 전력망 관리 시스템을 건설할 예정이다. 이를 통해 청정자동차에 효율적으로 청정에너지를 제공해 주고자 한다.
1월 6일 승인된 이러한 자금조달은 UC 리버사이드 대학교로 하여금 세 곳의 지역에 그리고 UN 리버사이드 대학교 캠퍼스에 2MW 규모의 태양에너지 발전설비 및 2MW 이상의 리튬 전지 저장시스템 설치를 가능하게 해줄 것이다.
리버사이드 시티와 리버사이드 공공서비스 기관과 파트너십(partnership)을 체결한 UC 리버사이드 대학교 공학자들은 태양에너지를 활용하여 전기자동차를 직접 충전시킬 수 있는 방법을 설계할 것이다. 이를 통해 전력망에 대한 부하량을 최소화하고 비재생 에너지원으로부터 생산되는 전력에 대한 수요 역시 감소시킬 수 있을 것이다. 이러한 시스템은 플러그인(plug-in) 전기자동차에 대한 수요 및 제작의 성장을 지원할 것이다.
뿐만 아니라, UC 리버사이드 대학교는 자동차 연료를 디젤(die-sel)에서 전력으로 변화시킬 계획을 가지고 있으며, 이 자동차는 UC 리버사이드 대학교 주변에 있는 학생들과 지역 거주민들을 수용할 수 있는 자동차이다.
이와 관련하여 환경 연구 및 기술 센터장이자 2백만 달러 자금을 수여받은 기초 과학자인 Matthew Barth 소장은 다음과 같이 말하였다.
“이러한 중요한 추가적인 노력은 리버사이드 시티와 UC 리버사이드 대학교를 녹색에너지 기술 분야의 선두주자가 될 수 있게 도와줄 것이다.”
이 프로젝트는 남부해안 대기정화 관리국에 의해 자금지원이 되고 있는 8개의 프로젝트 중 하나이다. 전체적으로, 남부해안 대기정화 관리국은 재생에너지 발전설비 및 송전송, 그리고 캘리포니아(California) 남부에 에너지 저장 관련 프로젝트 등에 1천2백만 달러 이상의 자금을 투입하고 있다.
이와 관련하여 Bourns 공과대학 Reza Abbaschian 학장은 다음과 같이 말하였다. “우리는 남부해안 대기정화 관리국이 이번 프로젝트의 혜택을 인정하였다는 사실에 기뻐하고 있다. 이는 태양에너지 발전설비, 전지 저장설비, 그리고 배포 등을 통합할 수 있는 스마트 그리드 에너지 해결책(smart-grid energy solution)에 대한 우리들의 몰입의 또 다른 사례이다. 이러한 사례는 CE-CERT 미션의 핵심 및 우리들의 새로운 윈스턴 청 글로벌 에너지 센터(Winston Global Energy Center)의 핵심이다.”
윈스턴 청 글로벌 에너지 센터는 중국 투자자, 사업가, 그리고 윈스턴 청 대학의 학자들에 의해 자금지원을 받는 새로운 벤처(venture)이다. 청의 기업인 윈스턴 글로벌 에너지(Winston Glo-bal Energy)사는 2MW 규모의 희귀한 리튬-이온 전지(lithium-ion)를 이번 프로젝트를 위해 기부하였다.
CE-CERT에 인접한 Bourns, Inc.사는 태양에너지 발전설비 설치를 위한 자금을 제공할 것이며, 수많은 연구 프로젝트들을 진행하고 있는 이 대학의 파트너인 SolarMax사는 태양전지판을 제공할 것이다.
전기자동차 제조업체인 Balqon사는 앞서 언급한 이러한 수송수단의 전환을 지원할 것이며, 전지 저장설비와 충전 및 송전 시스템 설치 역시 지원할 것이다. 이와 유사한 1.1MW 규모의 시스템은 현재 Balqon사와 CE-CERT 연구진들에 의해 검증되고 있다.
남부해안 대기정화 관리국 프로젝트는 CE-CERT, 이의 산업(기업) 파트너, 리버사이드 시티, 리버사이드 공공서비스 기관(전력공사), 그리고 리버사이드 수송기관 등이 맺은 독특한 협력 프로젝트이다.
끝으로 Abbaschian 학장은 다음과 같이 말하였다.
“이번 프로젝트는 우리들로 하여금 리버사이드 시티가 녹색사업계획을 인정하는 방향으로 엄청난 도약을 하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다. 우리 산업의 기업 및 자원 그리고 지자체 파트너와 결합이 된 우리들의 연구능력은 청정하고 재생 가능한 에너지 해결책을 다가오는 해에 제공해줄 것을 약속할 수 있다.” GTB