유기박막 태양전지
증착막 특성을 제어
分子科學硏究所의 平本昌宏 교수와 總合硏究大學院大學 理化學硏究科의 石山仁大 연구과생 등 연구팀은 유기박막 태양전지의 에너지 구조 제어 기술을 개발했다.
증착막인 몰리브덴 산화물의 농도를 PPM 단위로 제어함으로써 증착막의 특성을 자유자재로 변화시킬 수 있었다. 다른 물질에 응용하면 태양전지의 에너지 변환효율의 대폭적인 향상을 기대할 수 있다.
이 연구팀은 유기반도체의 플라렌 분자와 광전류를 증가시키는 기능을 갖는 알파세키티오펜(アルファセキチオフェン)이나 몰리브덴 산화물을 동시에 증착하여 박막을 제작했다. 그때 컴퓨터를 사용하여 몰리브덴 산화물의 증착속도를 늦추고 농도를 PPM 단위로 제어했다.
농도별로 전류를 측정한 결과, 농도가 제로와 400PPM일 때는 에너지 활성 영역에 몰리브덴 산화물층에 가까운 n형이, 600PPM일 때는 활성영역이 넓은 절연체 유사형이, 1100PPM, 4300PPM일 때에는 활성영역이 몰리브덴 산화물층에서 먼 p형 구조가 된다는 것을 알았다.
지금까지 유기박막 태양전지의 성능예측은 기초연구가 불충분하여 어려웠다. 이번 기술개발로 무기물계 태양전지와 마찬가지로 성능을 예측할 수 있게 되었다. 일간공업

태양광열 발전의 개발 거점
JFE엔지니어링, 橫浜・鶴見에
JFE엔지니어링(東京都 千代田區, 사장 岸本純幸)은 타워식 태양광 발전과 태양열 발전의 기술개발 거점 「솔라 테크노파크」를 橫浜 본사(橫浜市鶴見區) 내에 완성시켰다. 지상의 거울로 반사시켜서 태양광을 모으는 높이 22미터의 타워를 비롯해 관련 설비를 1만 평방미터 부지에 모았다. 집광과 발전시키면서 기술을 검증하여 2013년도 이후에 제품화한다. 岸本사장은 「집광기술이 우수하므로 일본에서도 실용화할 수 있다」고 자신감을 보였다.
타워형 외에 추미형(追尾型)태양광 발전, 평지에 설치하는 타입인 태양광 발전, 태양광을 반사시켜 타워에 모으는 지상 장치 「헤리오스타트」를 실증한다. 실용화를 목표로 하는 타워식은 헤리오스타트로 모은 빛으로 발전하거나 빛을 열로 회수하여 발전하는 방식. 이 회사에 따르면 실리콘계 태양전지에 비해 면적 당 발전량이 50% 많고, 발전 원가도 30% 절감할 수 있다고 한다. 태양에너지 발전 사업으로 2015년도에 500억 엔 이상의 매상고를 지향한다. 일간공업

폴리머 태양전지의 효율성을 높이는 나노결정
텍사스공과대학(Texas Tech University)의 연구진은 폴리머 태양전지의 효율을 높일 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이번 연구진은 나노결정을 폴리머와 결합시키셔 태양전지의 효율성을 높일 수 있었다. 나노결정과 폴리머를 결합시키는 방법은 저렴한 공정 과정과 유연한 형태 인자(form factor) 등과 같은 많은 장점을 가진 실리콘 광전지를 만들 수 있지만 기술적인 분야에서 문제가 있어서 아직까지 실용화되지 못하고 있다. 벌크 헤테로접합 폴리머 태양전지는 중합된 폴리머와 풀러렌 유도체(fullerene derivative)의 상호 침입형 네트워크로 구성되었는데, 이것은 낮은 캐리어 이동도와 개방 회로 전압(open circuit voltage)을 가졌다. 이번 연구진은 이런 문제들을 해결하기 위해서 반도체성 탄소나노튜브를 이용했다.
이 장치는 π-π 상호작용에 의해서 탄소 나노튜브 위에 P3HT(poly (3-hexylthiophene))를 접합시켰고, 이로 인해서 화학적 변형을 피할 수 있었다. 광루미네선스 특성평가와 캐리어 이동도 측정을 통해서, 광전지 변환에서 반도체성 탄소 나노튜브의 역할이 밝혀졌다. 여과 프로세스는 반도체성 탄소 나노튜브의 순도를 높이고 복합물 속의 분산성을 조절하기 위해서 사용되었다. 이후의 열 어닐링은 나노튜브/P3HT 복합물의 구조를 향상시키고 유형-II 헤테로접합을 형성시키는데 도움을 주었다. 결과적으로, 단락 전류(short-circuit current)와 개방회로 전압이 상당히 향상되었고 전력 변환 효율(power conversion efficiency)은 80%까지 증가되었다.
이 연구는 단일벽 탄소나노튜브/P3HT 기반의 광전지 변환 시스템에서 반도체성 단일벽 탄소나노튜브와 금속성 단일벽 탄소나노튜브의 역할을 조사했다. 서로 다른 양의 반도체성 나노튜브를 포함한 단일벽 탄소나노튜브들은 π-π 상호작용에 의해서 P3HT와 접합되었다. 광전지 복합물의 에너지 전달과 캐리어 이동 메커니즘은 광학 흡수 분광법(optical absorption spectroscopy), 광루미네선스 분광법(photoluminescence spectroscopy), 캐리어 이동도 측정을 통해서 실험적으로 조사되었다. 낮은 하중을 가진 단일벽 탄소나노튜브에서, 높은 비율의 반도체성 나노튜브는 엑시톤(exciton)의 비방사성 감쇠와 낮은 캐리어 이동도를 초래하는데, 이것은 더 높은 개방 회로 전압과 낮은 광전류를 불러온다. 최적의 형상을 가진 단일벽 탄소나노튜브/P3HT/PCBM(phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 기반의 하이브리드 태양전지는 향상된 캐리어 이동도 때문에 기준 태양전지(P3HT:PCBM)보다 훨씬 더 높은 광전류를 가졌다는 것이 증명되었다.
이 연구에 나열된 기술들은 유기 광전기 시스템으로 확대될 수 있고 효율적인 태양전지를 만들 수 있는 방법을 제공할 수 있을 것이다. 연구진은 나노물질로 인한 향상된 에너지 변환, 잘 정의된 나노구조의 합성과 특성평가에 초점을 맞추어서 연구를 진행하고 있다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “The synergistic effect of nanocrystal integration and process optimization on solar cell efficiency” 라는 제목으로 게재되었다. GTB

<그림 1> AFM 이미지. (a) 반도체성 단일벽 탄소나노튜브, (b) P3HT/반도체성 단일벽 탄소나노튜브 10 wt%, (c)(d) P3HT/반도체성 단일벽 탄소나노튜브 0.1 wt%, (e)(f) P3HT 박막. 스케일 바는 200 nm이다.
<그림 2> (a) 반도체성 단일벽 탄소나노튜브와 일반적인 단일벽 탄소나노튜브의 광학적 흡수. (b) P3HT와 반도체성 단일벽 탄소나노튜브/P3HT 복합물의 흡수 스펙트럼. (c) P3HT, 반도체성 단일벽 탄소나노튜브, P3HT/반도체성 단일벽 탄소나노튜브 복합물의 용액 사진. (d) 0.1 wt%의 단일벽 탄소나노튜브를 가진 복합물과 P3HT의 광학적 흡수 데이터.
<그림 3> 테스트 데이터: 전류 밀도 vs 전압

태양전지 배선용
구리 페이스트 재료 개발
産業技術總合硏究所와 나프라(東京都 葛飾市)는 결정 실리콘 태양전지의 배선에 이용할 수 있는 구리 페이스트 재료를 개발했다. 현재 주류인 은 페이스트보다 고성능으로, 은을 구리로 바꿀 수 있을 가능성이 있다고 한다. 태양전지의 고효율화와 저가화로 이어지는 기술로 주목받을 수 있을 것 같다.
개발한 페이스트는 합금과 구리 입자를 균일하게 혼합한 것. 이 구리 페이스트를 사용하여 태양전지의 다른 구성부재인 투명전극 위에 배선 패턴을 형성하고, 접촉 저항률을 조사한 결과 은 페이스트의 반이었다. 태양전지의 고효율화로 이어진다. 7개월 동안 대기 중에 방치해도 접촉 저항률은 악화하지 않는다는 것도 확인했다.
개발한 구리 페이스트를 이용하려면 합금의 입자를 녹이기 위해 가열할 필요가 있다. 태양전지의 가열은 성능열화를 방지하기 위해 200℃ 이하가 바람직하다고 알려져 있으나, 합금 입자는 융점이 낮은 것을 채용하여 143℃에서 녹일 수 있다. 녹인 합금은 구리 입자를 덮어서 구리 입자의 기판으로 확산되는 것을 억제할 수 있다고 한다.
구리는 은보다 값이 싸서 바꿀 수 있게 되면 태양전지의 저가화로도 이어진다. 구리 페이스트는 구리가 기판에 확산되는 등의 과제가 있었다. 일간공업

에너지 효율적인 환경친화적 주택을 위한 스마트 유리 코팅
바나듐 이산화물 (VO2) 는 가시광에 투명하지만, 주위 온도에 반응하여 적외선 투과도를 변화시킬 수 있는 차세대 스마트 유리로 특별한 응용들을 찾을 수 있는 온변색 박막과 코팅들의 제조를 위한 주요 물질로 각광을 받고 있다. 이러한 종류의 스마트 윈도우는 더운 여름과 추운 겨울이 있는 지역들에 특별히 더 유용할 것이다. 또한, 온도 반응 온변색 기능과 함께, 이 박막들은 UV-방어 특성도 가지고 있다.
중국 과학 아카데미 (SICCAS) 상하이 세라믹 연구소 Yanfeng Gao 교수가 이끄는 연구팀은 현재 온변색 VO2 박막의 대면적, 대량 생산을 위한 대체 기술을 개발했다. VO2 스마트 유리가 포함된 이전의 연구와는 달리, “Enhanced chemical stability of VO2 nanoparticles by the formation of SiO2/VO2 core/shell structures and the application to transparent and flexible VO2-based composite foils with excellent thermochromic properties for solar heat control”라는 제목으로 Energy & Environmental Science 최신호에 게재된 새로운 연구는 VO2/SiO2 코어/쉘 입자들을 기본으로 한 플랙서블 호일 (foil)들의 개발에 대해 보고했다.
이 연구팀의 새로운 투명, 플랙서블 바나듐 이산화물 나노입자 기반 화합물 호일은 건축 산업과 교통 부분에서 이용되는 유리에 적용할 만한 하다고 Gao 교수는 밝혔다. 이는 태양 열 조절을 향한 VO2 온변색 물질의 실용화를 향상 중요한 진전이다.
Gao의 연구팀은 최초로 VO2 나노입자들을 이용하여 용액 공정만으로 플랙서블 VO2 기반 화합물 호일들을 준비했다. 이 플랙서블 VO2 나노화합물 호일들은 증가된 가시광 투명도와 적외선 변조 능력 같은 나노크기와 계면 효과들에 의해 부가된 기능성들을 가지고 VO2 나노입자들의 고유한 특성과 결합시킬 수 있다. VO2 나노입자들은 안정적이지 않고 안정적인 확산 현탁액 내에서 준비하기도 어렵다. 이 연구팀은 투명하고 안정적이며 플랙서블한 VO2 기반 화합물 박막들을 준비하는데 사용될 수 있는 새로운 용액 공정으로만 이루어진 기술을 보고했다. 이 박막들은 근 적외선 영역에서 UV 차단 특성과 훌륭한 온도 반응 온변색 특성을 보였다.
일반적인 유리 호일들은 태양열을 흡수할 수 있는 태양 방사 혹은 유기 염료의 반사에 대한 금속 박막들을 일반적으로 기본으로 한다. 주위 온도에 반응하여 태양 방사의 투과도를 지능적으로 조절할 수 있는 온변색 물질들은 에너지 효율적인 유리를 위한 호일의 생산에 사용되지만, 일반적으로 거대분자 기반이면 이 물질의 안정성에 많은 문제가 있다.
SICCAS 연구팀에 의해 개발된 일반적인 박막은 VO2 온변색 박막에 대한 최고 값인 13.6%의 태양 변조 효율을 가진다. 연구원들은 얇은 SiO2 쉘을 가지고 VO2 나노입자들을 코팅하는 것이 항산화성과 항산 능력을 매우 향상시켰다는 것을 발견했다. 중국과 같이 빠르게 발전하는 국가들에 경우, 빌딩의 에너지 효율은 중요한 문제가 되어왔다. 중국 내 빌딩 공간의 52억 평방미터를 가지고 있다고 판단되며, 이에 포함된 대형 윈도우 영역들은 에너지 효율에 막대한 영향을 끼칠 것이다. 연구팀은 이 빌딩 유리들에 사용되고 상업화될 새로운 공정을 이용하여 새로운 물질을 개발할 계획이다.
연구팀의 제조 방법은 대량 생산에 매우 적합하고 쉽게 확대할 수 있다. 연구팀은 관련 분야들에서 연구하는 연구원들이 산업적인 공적 기술들을 개발하기 위해, 현재 기술에 기초한 혁신을 위해 이 연구팀과 함께 연구하길 바라고 있다. 또한 연구원들은 환경친화적인 주택의 중요한 부분으로써, 이러한 종류의 스마트 윈도우들이 가까운 미래 실용적으로 적용될 수 있길 바라고 있다. GTB
실제 가장 효율성이 높은 CIGS(박막) 전지 개발
Miasole사는 이론적으로 17.3%의 효율성을 가지고 있는 CIGS (copper-indium-gallium-selenide: 구리·인듐·갈륨·셀레늄) 태양광 전지(일반적으로 시장에서는 CIGS 태양광전지를 박막태양광전지라 부름)를 개발하여 왔다고 발표하였다. 17.3%라는 수치는 세계에서 가장 높은 효율성을 가진 박막태양광전지의 탄생을 의미한다. 하지만, 이러한 효율성을 지닌 박막태양광전지의 개발은 실험실에서 이루어진 것이며, 실제 시장에서 완벽하게 증명된 것은 아니다.
뿐만 아니라, 이 기업은 14% 효율성을 가진 모듈(module)을 제작하기 시작하였다고 발표하였다. 이 모듈은 실리콘 밸리(Silicon Valley)에 있는 그들의 공장에서 제작이 되고 있으며, 지난 가을 이후 평균 13.5%의 효율을 자랑하고 있다. 이러한 획기적인 사건은 1년 전보다 효율성 측면에서 30% 정도 증가하였다는 사실을 보여주고 있다. 그리고 그들은 그들 자신이 가지고 있는 로드맵(roadmap)을 성공적으로 따라가고 있다. 이는 Miasole사 최고경영자인 John Carrington 회장의 말에서도 알 수 있다.
“우리들은 마침내 생산단계에서 14%라는 경이적인 효율성에 달성할 수 있는 능력을 가지게 되었다. 그리고 우리들의 로드맵에 따라 지속적인 연구와 제작을 거듭한다면 가까운 시일 내에 17%라는 효율성에도 다다를 수 있을 것이라고 확신한다.”
Miasole사는 최근 Solarplaza 랭킹(ranking)에서 CIGS 태양광 모듈 부분 최고의 자리에 앉을 수 있었다. 최고의 폴리실리콘(polysilicon: 다결정 분자구조의 화합물로 구성된 딱딱하고 작은 실리콘 결정체로, 태양전지의 원재료이며, 태양의 빛에너지를 전기에너지로 전환시키는 역할을 함) 모듈 공급업체는 15-16%의 효율성을 보여주고 있다. 그에 반해 단결정 태양전지 제조업체들은 21-22%의 효율성을 가진 전지를 생산하고 있으며, 이는 다시 19-20%의 모듈효율성으로 전환이 된다. Miasole사는 자신들의 모듈 효율성 로드맵을 수월하게 제공하여 왔다. 그로 인해, 그들은 2013년 폴리실리콘 태양광 모듈 효율성의 명확하게 보여줄 수 있었다.

<그림> (a와 b) 실온에서 샘플 박막들의 사진들, ⓒ UV-가시광-근적외선 영역에서 샘플 박막들의 광투과 스펙트럼들, (d) 1500nm 파장에서 샘플 박막들의 열적인 히스테리스시.

Miasole사 태양전지판(태양광 모듈) 효율성 로드맵
럭스연구소(Lux Research)는 Miasole사를 CIGS 태양광 전지 분야에 있어 잠재적인 챔피온(champion) 자리에 다른 기업과 함께 올려놓았다. 보다 구체적으로 살펴볼 때, Miasole사는 Solar Frontier사 다음으로 CIGS 태양광 전지 분야의 미래를 이끌어 갈 수 있는 기업으로 선정되었다. 물론 그들이 가지고 있는 모듈 효율성 로드맵에 따라 모듈 효율성을 향상시키고 고객과 파트너(partner) 기업들과의 우호적인 관계를 유지할 수 있다는 전제 하에서 말이다. 2011년 동안 Miasole사는 1억 달러 이상의 매출을 올렸다. 그리고 비록 이러한 수치가 제조역량을 향상시키기 위해 Intel사의 도움을 받았다 하더라도 Miasole사의 매출액은 놀랄만한 것이다. Miasole사는 그들의 주주들과 종업원들에게 좋은 기업이 될 수 있게 만들기 위해 올바른 파트너 기업들을 찾고 있다. 끝으로 이 기업은 북아메리카(North America), 유럽(Europe), 그리고 아시아(Asia) 지역에 55MW 규모의 전지수출계획을 강조하였다. GTB