연구개발 부문에 총괄 조직 신설
화학 각사가 사업 창출 가속화
三井化學과 旭化成 등 큰 화학회사들이 5~10년 후의 경영을 지지할 신규 사업을 조기에 내놓기 위해 각 사업부문에 흩어진 연구개발부문을 총괄하는 조직을 연이어 신설하고 있다. 국내 화학 각사는 엔고와 원료가격의 비등과 같은 “7중고”로 범용품을 중심으로 경쟁력이 저하하여 최신예 설비를 가진 신흥국 메이커와의 경쟁이 격화되고 있다. 자사 내의 연구개발력을 총괄 관리함으로써 태양전지와 리튬이온 2차전지에 사용하는 부재, 자동차를 경량화할 수 있는 첨단소재를 재빨리 제품화하여 유력한 성장 시장에서 주도권을 확보할 계획이다.

첨단소재의 주도권 확보로
태양전지・자동차・의료 조준
5가지 영역에 중점
三井化學은 전체 계열사 레벨에서 연구개발 전략을 책정・전개하는 「R&D전략실」을 신설했다. 각 사업부의 연구개발부문과 연구소, 생산기술부문을 관할한다. 이 회사는 미래의 코어 사업화의 가능성을 내포한 5개 사업을 육성 영역으로 지정하고, 2013년도까지 약 240억 엔의 연구개발비를 투입. 2017년도에 육성 5개 영역에서 2000억 엔의 매상을 목표로 하고 있다. R&D전략실의 신설로 태양전지의 차세대 봉지(封止)시트와 자동차의 경량화로 이어질 첨단소재, 식물에서 유래된 원료를 사용한 바이오폴리우레탄 등 육성 5영역에서 내건 중점 연구개발 테마의 조기 사업화를 추진한다.

장기적 연구도
旭化成은 富士 지사(靜岡縣 富士市)에 3개의 개발 센터를 신설했다. 「先端電池材料開發센터」는 차세대형 리튬이온 2차전지의 재료가 되는 전극・전해질・세파레터의 개발, 「차세대 디바이스 개발 센터」는 디지털 가전용의 차세대 센서의 개발, 「先端에너지 재료개발센터」는 첨단태양전지의 소재가 되는 봉지재와 오염방지 코트의 개발을 각각 총괄하여, 5-10년 후에 시장을 리드할 수 있는 제품개발로 이어진다.
旭化成은 2003년에 9개의 사업회사로 된 지주회사가 되었는데, 사업 회사를 뛰어넘는 대규모 투자와 장기 투자를 하기 어려운 측면이 있었기 때문에 중점연구개발 테마마다 사업회사를 횡단한 연구개발조직의 설치를 결정했다. 10-20년 앞을 내다본 장기적인 기술개발로 특화한 첨단기술연구소도 富士지사에 신설했다.
일간공업

고효율 InGaP/InGaAs/Ge 탠덤 태양 전지
28.7%에 이르는 고효율 박막 InGaP/InGaAsGe 탠덤 태양 전지를 생산하기 위한 컨트롤된 spalling 테크놀로지의 효과에 대한 연구이다.
컨트롤된 spalling 테크닉은 성장된 태양 전지 구조를 Ge 웨이퍼로부터 분리하기 위해 사용되었다. 박막 탠덤 셀(tandem cell)의 구조적, 전기적 특성이 조사되었으며, 벌크 Ge 기판위의 박막과 비교되었다. spalling 되지 않은 벌크 셀(bulk cell)과 spalling이 된 박막은 모두 동일한 셀 파라미터를 가져, 컨트롤된 spalling 테크놀로지가 태양 전지 내에서 모든 레이어들간에 정교한 집적(integration)을 유지하는 것으로 확인했다.
직접 밴드갭(direct bandgap III-V) 탠덤 태양 전지의 높은 변환 효율은 위성 또는 지상의 집중된 광전압 소자(C-PV; Concentrated Photovoltaic)를 위해 유망한 전자 재료가 된다. 그러나 III-V 태양 전지는 가격이 비싸, 보급의 어려움이 따른다. 따라서, 재료와 공정 단가를 줄이고, 셀의 전력 변환 효율을 향상시키기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 최근, 상온에서 다결정 실리콘, 게르마늄과 III-V 박막의 kerf-free 제거를 가능케하는 컨트롤된 spalling 테크놀로지로 알려진 정교하면서도, 여러 종류의 레이어 전달할 수 있는 테크닉을 소개한 바 있다. 유연성 접착 박막을 금속 stressor 표면에 더하여, host 기판으로부터 원하는 박막을 제거할 수 있고, 이 테크닉을 사용함으로, 기판을 재사용할 수 있는 장점등이 있다.

- 소자 공정 및 실험 방법
일반적인 InGaP/(In)GaAs/Ge 태양 전지 구조는 4 인치 p-type Ge 기판위에 MOCVD(Metal Organic Chemical Va-por Deposition)를 이용하여 180um의 두께로 성장되었다. 가장 위의 ~14um는 III-V와 7um는 Ge의 적층으로 구성되며, [그림 1]에 제시되었듯이, host Ge 기판으로부터 분리되었다. 박막 태양 전지는 heavily 도핑된 Si 기판위에 전도성 접착제를 사용하여 200 도 이하의 온도에서 결합되었다. [그림 2]는 전체 박막 태양 전지 구조의 SEM과 TEM 이미지들을 보여준다. 한편, 결합 공정에 의한 온도 제한 때문에, 태양 전지는 저온 공정법에 의해 제작되어야 한다. 셀(cell)은 Pd/Ge/Au 다중층의 전면 컨택과 Ti/Al 의 후면 컨택 공정을 한 후, 180 도 에서 열처리하여 n+ GaAs기판에 대해 낮은 저항을 갖도록 하였다.

- 측정 결과 및 분석
[그림 3(a)]은 박막과 벌크 셀의 전류밀도-전압(J-V) 특성을 각각 보여준다. 박막 소자는 28.7%의 전력 변환 효율을 보이지만, 벌크 샘플보다는 낮은 효율을 가진다, 이는 박막 셀의 단락회로 전류밀도(Jsc)가 벌크 샘플과 거의 비슷한 반면, 개방회로 전압(Voc)이 감소한 것이 원인으로 분석된다. 관찰된 개방회로 전압의 감소는 아마도 Ge 박막의 높은 표면 재결합 속도에 의한 것으로 추측된다. 소수 캐리어의 실제 확산 거리에 미치는 높은 재결합 속도와 dark 전류는 base 레이어의 두께가 감소할수록 더 큰 영향을 미치게 된다.
이 bottom Ge의 두께와 Voc사이의 관계를 좀 더 분석하기 위해, PC1D 프로그램을 이용하여 소자를 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션을 위한 소자의 자세한 파라미터는 원문을 통해 참고할 수 있다. Ge bottom 레이어에 대한 시뮬레이션된 Voc 값과 셀의 전체 두께는 표면 재결합 속도의 함수로 [그림 3(b)]에 제시되었다. 국소화된 후면 컨택을 사용하여 Ge의 표면에서, 전체 직렬 저항의 상쇠없이도 재결합 속도를 충분히 줄일수 있는 장점이 있음을 평가했다.
이 외에도, 원문에서는 박막과 벌크의 내부 양자 효율과 외부 양자 효율, 반사도를 측정, 그 결과를 제시하였다. 박막과 벌크 소자의 내부 양자 효율은 거의 같은 것으로 평가되지만, Ge셀의 외부 양자 효율은 더 급격히 감소하여, 표면에서 소수 캐리어 재결합이 지배적이 되고, 이로 인해 실효 확산 거리가 급격히 감소함을 분석했다. 이 연구를 통해 28.7%의 고효율 삼중 접합 InGaP/(In)GaAs/Ge 태양 전지를 spalling 테크닉으로 공정, 제작하였다. TEM과 전기적 특성 측정을 통해, 박막 태양 전지의 구조와 전력 변환의 실효성을 조사하였고, 간단한 레이어 전달 방법을 제안, 시연하였다. GTB

여러분, 일사계 측정을 시작하세요.
지난 10월 콜로라도주 골든에 위치한 National Renewable Energy Laboriatory(NREL)에서 제 16회 NREL 일사계 비교 회의가 개최되었다.
일사계는 태양에너지에 대하여 측정하는 복사계의 종류로 정기적으로 측정의 정확성을 위한 교정 작업을 해야 한다.
정기적인 교정작업을 통해 측정 데이터를 신뢰를 높일 수 있다. 태양에너지 측정은 태양광 사업에 관련된 거의 모든 기관(연구소, 대학, 솔라산업, 은행가, 벤처사업가, 태양사업 관련 투자자들 등)이 이용한다.
교정은 스위스 다보스에 위치한 world radiation center의 태양 에너지 국제 기준값에 맞추어 행해진다. 매 5년마다 다보스의 기준값은 새로이 교정된다. NREL은 세계에서 유일하게 매년 교정을 하는 기관이다. 웹사이트에 따르면, “국제적, 국가적, 지역의 연구자들이 모여 radiometric reference에 대한 정보 교환”을 목적으로 회의는 개최되었다.
새로운 소식에 따르면 NREL 그룹의 매니저 Tom Stoffel은 “회의는 측정의 정도 수준을 높이기 위해 개최되었다”고 말하고 있다. 그는 계속해서 “이 회의는 due diligence의 한 부분이다. 만약 당신이 3억 달러를 태양열 발전소에 투자했다면 태양이 정확히 얼마나 당신에게 도달하는 지 궁금하지 않겠습니까?”라고 말한다.
Due diligence에 대한 요구는 1980년대부터 시작되었다. 25년 전에는 매일 국가마다 일정 지역의 태양 도달량을 측정하는 것이 일반적이었다. 15년 전에는 매 시간마다의 측정이 가능하게 되었다. “현재 golden standard는 태양 시설의 설치를 원하는 지역에 대하여 매초마다 측정을 한다”고 보고하고 있다.
NREL은 1981년 일출과 함께 측정한 태양 복사량부터 시작하여 태양 달력이 보유하고 있다. 오클라하마주 라몬트의 Climate Research Facility에 따르면 DOE(Department of Energy)는 25지역에서 복사량 측정한다. 이중 3/5는 국제적으로 측정하고, 2/5는 이동하면서 측정한다. Atmosphere Rradiation Measurement Program의 CRF는 20년간의 태양과 대기 복사량 측정 정보를 보유하고 있다. 현재 측정은 매 60초마다 이루어지고 있다.
CRF의 전기 기술자 Craig Webb은 올해 교정 회의의 참가자이다. 그는 “회의 참가자들은 모두 같은 기준에 의해서 우리가 태양으로부터의 전력을 정확히 측정할 수 있기를 원한다. 이것이 우리가 매년 이곳에 모이는 이유다”고 말한다. ACB

색소의 증감 작용을 촉진하는 첨가제 개발
차세대 태양전지용
物質・材料硏究機構 태양광 발전재료 유닛의 韓禮元 유닛장(長) 등의 연구팀은 색소증감형이라고 불리는 차세대 태양전지로 색소의 증감작용을 촉진하는 첨가제를 개발했다. 첨가제를 넣지 않은 변환효율 11.0%의 셀과 비교하여 첨가제를 넣은 셀은 11.4%가 되어 변환효율을 올리는 효과를 확인할 수 있었다. 변환효율은 세계 최고치의 공식 데이터로 등록되었다. 첨가제의 분자구조 등 상세한 내용은 밝히지 않았다. 같은 형태의 태양전지는 반도체인 산화티탄의 표면에 빛을 흡수하는 색소가 들러붙은 구성부분이 전지성능을 크게 좌우한다. 지금까지 빛에서 얻을 수 있는 전압과 전류를 올리기 위해 산화티탄 표면에 색소를 깨끗하게 늘어놓는 첨가제는 있었다. 색소의 증감작용을 촉진하는 첨가제는 이번에 처음이라고 한다. 이번에 기록한 11.4%의 변환효율은 국제적인 표준측정기관에 세계 최고치의 공식 데이터로 기록되었다. 지금까지 같은 형태의 태양전지 변환효율의 공식 데이터는 200년도에 등록된 샤프에 의한 11.1%로, 이번에 5년 만에 갱신했다. 공식 데이터는 아니지만 스위스 연방 공과대학의 마이클 그레첼 교수에 의한 12%의 보고가 있다. 일간공업

벌집모양 질화물 태양 전지
대만 연구원들은 질화물 반도체 태양 전지의 성능을 향상시키기 위해 실리콘 이산화물 (SiO2) 벌집모양 구조들을 이용했다 [P. H. Fu et al, Appl. Phys. Lett., vol100, p013105, 2012].
이 벌집모양 구조는 액티브 영역으로 더 많은 광을 수집하여 더 많은 전력을 생산해내도록 전지의 상부 표면으로부터 반사되는 빛의 양을 줄여준다. 자극된 1.5 공기 질량 (AM 1.5G) 태양 조사 하의 성능은 비교 소자에 비해 7% 증가된 단락 회로 전류 밀도 (Jsc)를 보였다. 개방 회로 전압 (Voc)은 두 소자에 걸쳐 같았다. 에너지 전환 효율은 증가된 전류와 최고 전환 전력인 필 팩터 (fill factor)의 향상으로 인해 34%까지 증가됐다.
전환 효율 치들은 에너지 전환에 대한 소자의 피크 파장이 입사된 태양 방사 (~500nm)에 비해 더 짧은 380nm이기 때문에 1% 이하였다.
대만 연구원들이 만든 소자에 대한 에피텍셜 물질은 금속-유기 화학 증착법(MOCVD)를 이용하여 c-면 사파이어 상에 성장되었다. 도핑 되지 않은 액티브 층은 3nm 인듐 갈륨 질화물 (In0.3Ga0.7N) 우물과 17nm GaN 장벽인 9주기 다중 양자 우물 구조로 구성되었다. n-형 층은 2.5μm, p-형 층은 0.2μm였다.
이 소자는 1mm x 1mm LED의 메사들을 식각한 p-GaN 콘택 층 상에 인듐 주석 산화물(ITO) 투명 전도 층을 처음 증착하고 타이타늄/알루미늄/니켈/금 콘택을 증착하여 형성되었다. p-금속은 ITO 혹은 나노 벌집 상에 층착된 서로 맞물린 그리드 형식으로 패턴되었다.
나노 벌집은 전자빔 증착으로 450nm SiO2를 증가하여 제조되어/T다. 5분간의 산소 플라즈마 처리가 표면을 친수성으로 만들었다. 탈이온수 내 폴리스티렌 450nm 반경 구들은 식각 마스크로 사용하기 위해 SiO2 상으로 코팅되었다.
이후, 웨이퍼는 두 시간 동안 50°C/87.5% 습도에서 인큐베이터 내 놓였다. 이는 구들의 밀집된 단일층을 만드는 과정이다. 구들 사이 틈을 만들기 위해 산소 플라즈마에 샘플들을 노출시켰다. 이 과정 이후, SiO2를 식각하기 위해 트리플로루메탄에 적용했다. 마지막으로, 나노 구 레지듀 (residue)를 제거하기 위해 산소 플라즈마 처리를 했다.
SiO2 구조의 효과는 소자로 입자되는 태양광을 막는 반사를 제거하는 것이다. 이는 SiO2가 공기고 ITO 사이 중간인 굴절률을 가지기 때문이다. 할로겐 램프로부터 단일광 조사 하에서 측정된 외부 양자 효율 (EQE)은 수 퍼센트까지 향상되었다.
피크 파장은 두 경우 모두 380nm였다. 시뮬레이션은 벌집 모양 구조가 산란을 통해 소자 내에서 광 세기 분포를 넓게 한다는 것을 보여주었다.
AM 1.5G 조사 하에서 벌집 구조가 있는 소자의 전류-전압 곡선의 증가된 기울기는 감소된 시리즈 저항과 더 큰 필 팩터를 나타낸다.
SiO2 벌집들의 제조 과정이 내부 소자 구조에 어떠한 손상도 미치지 않기 때문에 증가된 필 팩터는 SiO2/ITO 계면의 향상된 품질을 초래할 수 있다. SiO2의 유전 특성으로, 광 발생된 전하들이 ITO 표면에서 표면 결함들에 의해 포획되는 대신 ITO/GaN 계면 아래 소자의 내부로의 경로에 의해 더 많이 수집된다고 이 연구팀의 리더인 Jr-Hau (JH) He가 밝혔다. GTB

産總硏이 새 색소
「블랙다이」 웃도는 변환효율
産業技術總合硏究所・太陽光 發展工學硏究센터의 佐山和弘 팀장 등 연구팀은 차세대 태양전지로 기대되고 있는 색소증감형 태양전지용의 기존 색소인 「블랙다이」를 넘는 변환효율을 가진 새로운 색소를 개발했다. 블랙다이를 사용한 변환효율 9.9%의 태양전지를 이번에 개발한 색소로 바꾼 결과, 변환효율은 10.7%가 되었다. 실용화에 근접한 성과로서 주목될 듯하다.
이번에 시작한 태양전지 셀은 블랙다이에 맞춘 구성으로 새 색소에 맞는 형태로 개량하면 변환효율을 12%까지 올릴 수 있을 가능성이 있다고 한다.
색소증감형 태양전지는 산화티탄에 흡수시킨 색소를 전해액에 담가 만든다. 앞으로 개발한 색소에 가장 적합한 전해액과 색소의 흡착방법을 탐색하여 변환효율을 향상시킬 것이다.
개발한 색소는 블랙다이 분자구조의 일부를 불소와 탄소를 포함하는 「페닐필리미디나트(フェニルピリミジナト)」라는 화합물로 바꾼 것. 블랙다이와 비교하여 근적외광을 5배 이상 흡수한다.
현재 공인된 색소증감형의 세계 최고 변환효율은 물질・재료연구기구의 연구팀에 의한 11.4%로 색소에 블랙다이를 채용한 것으로 볼 수 있다. 그 이전에는 샤프가 색소에 블랙다이를 채용하여 11.1%의 변환효율을 기록했다. 일간공업