낮은 저항의 투명도전성 필름
롤 상태로 고객에게 제공
尾池工業이 기술 태양전지용 제안
尾池工業(京都市 下京區, 사장 尾池均)은 색소증감형 태양전지에서 사용하는 낮은 저항값의 투명도전성 필름을 롤 투 롤 생산하는 기술을 확립했다. 최대로 폭 1.6×길이 2000미터까지 대응할 수 있어 색소증감형 태양전지의 생산효율 향상이 공헌할 것으로 보고 있다. 작년 11월부터 발매하였고, 이 태양전지를 다루는 일본 내외의 메이커에 제안해 나간다.
투명도전성 재료에는 인듐・주석산화물(ITO)을 사용했다. 尾池工業은 지금까지 폭 0.3×길이 5미터 정도의 낮은 저항값 필름을 샘플 출하했다. 그러나 비결정인 ITO를 스팩터링으로 성막할 때 일부가 결정화하여 갈라지는 문제가 있었다. 이번에 결정화를 억제하는 기술을 양산 장치로 확립하여 롤 상태로 고객에게 제공할 수 있게 하였다.
필름의 저항값은 단위면적 당 13옴. 광전변화효율이 낮은 색소증감형 태양전지 발전전력의 손실을 억제할 수 있다. 이 태양전지에는 유리판을 사용하는 일이 많은데, 필름을 사용하고 굴절성을 갖게 함으로써 설치의 자유도가 높아지는 등 메리트가 있다.
이 필름의 팩키징에 사용하여 수증기 투과율이 낮은 배리어 필름도 롤 상태로 공급할 수 있는 체제를 갖추었다.
이 회사의 ITO필름은 대부분이 터치패널용. 2015년을 목표로 시장이 본격적으로 활성화되리라고 보고 있는 색소 증감형 태양전지, 유기박막 태양전지, 유기 일렉트로루미네센스(EL)용을 다음 사업의 핵심으로 육성할 방침이다. 일본 이외에 중국, 대만, 한국과 같은 샘플 출하가 끝난 연구기관 등을 대상으로 채용을 권유한다. 일간공업

변환효율 36.9% 실현
화합물 태양전지 2014년 이후에 실용화
샤프는 태양전지를 3층 구조로 한 화합물 3접합형 태양전지로 변환 36.9%를 달성했다. 세계 최고수준이라고 한다. 인공위성 등 우주 용도로서 2013년에 부품인정을 받고, 2014년 이후에 실용화할 전망.
화합물 태양전지는 인듐이나 갈륨 등 2종류 이상의 원소로 된 화합물을 재료로 한 광흡수층을 갖는다. 빛・전기 변환효율이 높은 태양전지로 주로 인공위성에 사용된다.
샤프는 2009년에 변환효율 35.8%를 실현. 새롭게 태양전지층을 직렬로 연결하는 접합부의 저항을 저감하여 최고 출력을 높이고 변환효율도 향상시켰다.
新에너지 産業技術總合開發機構(NEDO의 「혁신적 태양광 발전기술연구개발」테마에 기초한 개발의 일환. 앞으로 극박(極薄)의 태양전지층을 필름에 전사함으로써 경량이며 유연성이 높은 태양전지가 가능하게 된다. 샤프는 우주용도와 함께 자동차용과 집광용 등에 대한 전개를 주시하고 있다. 일간공업

박막 태양 패널을 향상시키는 나노쉘 위스퍼링 겔러리
미국 국회 의사당 빌딩 내 스테츄어리 홀(Statuary Hall)의 방문객들은 동굴과 같은 반돔 형태의 방에서 조용히 속삭이는 듯한 음성을 듣는 경험을 하게 된다. 이러한 현상은 위스퍼링 겔러리 (whispering gallery)라고 불린다.
Nature Communications에 게재된 한 논문에서 스탠포드 대학 공학 연구팀은 원형 방들이 음향 효과에서와 같은 광전 나노결정 실리콘으로 만들어진 속인 빈 작은 구들이 어떻게 만들어지고 어떤 물리 현상이 일어나는지를 제시했다. 이러한 구조는 물질 사용량과 공정 가격을 획기적으로 낮출 수 있다.
일반적으로 나노결정 실리콘은 광전 물질로 적합하다. 이 물질은 높은 전기 전환 효율과 강렬한 태양아래에서도 잘 견딜 수 있다. 이 두 가지 특징은 다른 종류의 박막 태양 전지에서는 문제를 일으키고 있다. 그러나 현재 많이 사용되는 나노결정 실리콘은 제조하기 위해 오랜 시간이 소요되며 광 흡수를 위해 상대적으로 두꺼운 층을 필요로 한다.
스탠포드 공학자들은 이 구들을 나노 쉘이라고 부르고 있다. 이 쉘들을 제조하기 위해 많은 공학적 기술들이 필요하다. 먼저, 연구원들은 유리와 비슷한 작은 실리카 공들을 만들고 실리콘 층을 이 실리카 공 위에 코팅한다. 이후, 가장 중요한 광 감응 쉘만을 남기기 위해 실리콘에 영향을 주지 않는 염산을 이용하여 이 공들의 중심인 유리를 식각해 낸다. 이렇게 만들어진 쉘들은 광을 포획하고 재회전시키는 광학적 위스퍼링 겔러리들을 형성한다.
입사된 광은 나노쉘 내부에서 포획된다. 그리고 포획된 광은 투과되지 않고 둥글게 회전하게 되며 이 효과가 태양관련 응용들에 매우 흥미로운 현상이다. 연구원들은 광으로부터 에너지가 실리콘에 의해 점차적으로 흡수 되는 동안, 광이 쉘의 주위를 계속 회전할 것이라고 주장하고 있다. 이 물질 내에서 광이 더 오랫동안 머무르면 머무를수록 광 흡수는 더 많이 될 것이다.
그 결과 넓은 밴드 광 흡수가 가능해진다. 연구원들은 나노쉘 내부에서 위스퍼링 겔러리 공명 모드들의 이용에 대해 매우 흥미로워 하고 있다. 이 현상은 더 효율적인 태양전지를 개발할 수 있을 뿐만 아니라, 태양 연료와 광검출기와 같은 효과적인 광 흡수가 필요한 다른 소자들에서도 응용될 수 있을 것이다.
단일 층 나노쉘 내의 광흡수 측정에서, 연구팀은 나노쉘들이 층층히 증착된 두꺼운 실리콘 층 보다 더 넓은 광 스펙드럼에 걸쳐 훨씬 더 많은 광 흡수를 한다는 것을 관찰했다. 나노미터 크기 구형 쉘들은 광을 쉽게 입사시켜 더 두꺼운 박막이 필요한 다른 물질들에 비해 흡수가 향상되도록 광들을 포획하여 박막의 흡수 효율을 최대화할 수 있다. 더 나아가, 연구팀은 나노쉘들을 교대로 둘 혹은 세 개의 층을 증착함으로써, 더 큰 광 흡수를 얻었다. 세 개의 층 구조를 가진 소자의 경우, 태양 스펙트럼의 가장 중요한 영역들에서 광의 75%를 흡수할 수 있었다.
향상된 흡수를 실현한 공학자들은 어떻게 이 구조가 광 포획에 있어서 큰 효과를 얻을 수 있는지 보였다. 무엇보다 먼저, 나노쉘들은 빠르게 만들어 질 수 있다. 마이크로 미터 두께의 고체 나노결정 실리콘 박막은 증가하는데 수 시간이 걸리지만, 비슷한 광 흡수를 가지는 나노쉘들은 수 분 정도가 소요된다. 나노쉘 구조는 고체 나노결정 실리콘에 비해 사용되는 물질의 양이 1/20 정도 적게 사용된다.
물론, 이 제조 방법은 1/20의 물질만을 사용하므로 제조 가격 하락을 이끌고 희귀하거나 고가인 물질들을 사용하는 다른 태양 전지들에 비해 더 향상된 성능을 제공할 수 있다. 연구팀의 태양 전지 박막은 상대적으로 풍부한 실리콘으로 만들어지고 나노쉘들에 의해 감소된 물질 사용량은 텔루륨이나 인듐과 같은 굉장히 희귀한 물질들을 이용하고 있는 수 많은 종류의 박막 태양 전지들의 대형화에 대한 문제를 간단히 해결할 수 있을 것이다.
마지막으로, 나노쉘들은 어떠한 손상없이 휘거나 비틀 수 있을 만큼, 충분히 얇은 층을 가지며 어떠한 각으로 입사하는 광에 대해 성능 차이가 거의 없다. 이 새로운 구조는 이제 막 선보였고, 태양 전지 효율을 개선하기 위한 첨단 나노포토닉 구조들을 이용에 대한 흥미로운 결과들을 보여줄 것으로 기대된다. GTB

<그림> 이 주사 전자 현미경 이미지는 광전 실리콘으로 만들어진 구멍이 뚫린 나노쉘 층의 측면을 보여준다. 이 얇은 구형 구조는 광학적인 위스퍼링 겔러리들로 알려진 현상을 만들어 내는 재료 내부의 광을 포획함으로써 광 흡수를 향상시킨다.

가정에서의 접속 표준화
차세대 전력망
파나소닉과 東芝, 東京電力, 關西電力은 가정용 에너지 관리 시스템(HEMS)와 스마트미터(통신기능 부착 전력 계량기)의 표준화 조직 「스마트 하우스 표준화팀(가칭)」을 설립했다. 올 1월에 HEMS와 기기 등을 접속하는 인터페이스의 규격을 책정했다. 經濟産業省은 앞으로 HEMS 도입을 촉진하는 정책의 실시에 있어 지원 대상을 선택할 때의 조건에 이 팀이 책정하는 인터페이스를 이용할 방침. 사실상, 일본의 HEMS인터페이스는 파나소닉 등이 책정한 것으로 통일될 전망이다.
스마트그리드(차세대 전력망)의 유력 기업 연합 「스마트 커뮤니티 얼라이언스(JSCA)」에 스마트 하우스 표준화 팀을 둔다. HEMS와 스마트 미터, 태양광 발전과 전기자동차(EV), 축전지, 가전을 접속할 경우에 필요한 접속부분의 기기 형상과 데이터의 송수신 순서(프로토콜)등의 인터페이스에 대해 규격을 책정한다.
파나소닉과 東芝가 HEMS와 태양광 발전 가전을 접속하기 위한 인터페이스 규격을 표준화. 두 회사에 東電과 關電이 합세하여 HEMS와 스마트 미터의 접속 인터페이스를 함께 표준화한다.
經濟省은 전기와 자동차, 주택 등 일본의 주요 산업이 에너지 네트워크로 연결되는 스마트 그리드 시대를 위해 각사가 각각의 모습으로 인터페이스가 난립하는 것을 우려. 일본 기업 사이에서 인터페이스의 규격이 난립해 있는 동안에 해외에서 사실상의 표준을 정한 인터페이스에 석권되어 일본의 주요 산업이 경쟁력을 발휘할 수 없게 될 것을 염려하고 있다. 經濟省은 이번에 책정한 규격을 HEMS 보급지원책의 채택요건으로 지정하여 인터페이스의 표준화를 촉진하여 각사가 인터페이스에 앞선 기기와 시스템의 개발에 힘을 쏟을 수 있도록 한다. 일간공업

놀랄만한 태양전지 효율성을 달성한 호주 연구팀
Tim Schmidt 교수와 그의 연구 동료인 Klaus Lips 박사는 태양전지 기술에 있어서 획기적인 성과를 이루어내었다. 그들은 헤름홀츠 재료 및 에너지센터(Helmholtz Centre for Materials and Energy) 연구원들이다.
지붕형 태양전지판에 적합한 저비용의 태양전지는 40%라는 기록적인 효율성에 도달할 수 있었다. 이는 시드니 대학교(University of Sydney) 연구원들과 그의 독일인 동료에 의해 초기 단계 혁신(효율혁신 달성)에 이어서 이루어낸 성과이다.
ASI(Australian Solar Institute: 호주 태양에너지 연구소)의 지원을 받은 Tim Schmidt 교수는 광화학 업커버젼(photochemical upconversion)이라 불리우는 “태양전지를 위한 터보(turbo)”를 개발하였다. 광화학 업커버젼은 햇빛을 전기로 변화하는 과정에서 발생하는 에너지 손실률을 감소시켜주어 태양전지의 에너지 전환효율(또는 전기변환 효율)을 높여줄 수 있는 기구이다. 업커버젼이라 불리는 이 공정은 주어진 파장의 광자를 흡수하여 더 짧은 파장으로 변환한 후 다시 내보내는 역할을 하는 염료(Dye)를 이용하며, 그 목적은 에너지 전환효율을 높여주는 것이다. Tim Schmidt 교수는 헤름홀츠 재료 및 에너지 연구소 연구원들과 함께 연구를 수행하였으며, 그는 시드니 대학교 화학공학부 교수이다.
그들의 연구결과는 Energy & Environmental Science지에 게재되었다. Tim Schmidt 교수는 업컨버젼 기술 - 태양전지에 의해 사용되지 않는 태양스펙트럼(Solar Spectrum: 빛을 파장 순서로 분광하는 것으로, 태양대기가 복사하는 빛을 프리즘 등으로 분광하면 7가지 색으로 나누어지는 스펙트럼)을 활용하는 공정 - 을 사용하는 것이 태양전지의 재개발에 들어가는 비용적인 부분을      제거하게 된다고 말하였다.
이와 관련하여 Schmidt 교수는 다음처럼 말하였다.
“우리는 태양전지 속에 있는 에너지가 부족한 두 개의 붉은 색 광자들과 햇빛을 효율적으로 받을 수 있는 에너지가 풍부한 한 개의 노란 색 광자들과 결합시킴으로써 태양전지 효율성을 촉진시킬 수 있다. 즉, 전기변환 효율을 높일 수 있다는 것이다. 우리는 업컨버팅(upconverting: 제품이나 시스템을 더 나은 표준이나 사양으로 변환. 여기서는 전기변환 효율을 높여줄 수 있는 태양전지 사양으로의 변화으로 해석 가능)된 태양전지의 성능을 위한 하나의 지표를 가지고 있다. 우리는 이를 몇 번이나 개선할 필요가 있다. 하지만, 그 방법은 명확하다. 그렇기 때문에 실패는 있을 수 없다고 생각한다.”
ASI 최고경영자인 Mark Twidell 회장은 고효율의 태양전지기술 개발이 호주와 독일의 주요 연구진들 간 성공적인 협력 관계에 의해 만들어진 좋은 사례임을 강조하였다.
끝으로 Twidell 회장은 다음과 같은 말을 남겼다.
“호주와 독일은 함께 태양에너지 기술의 상업화 속도를 상승시킬 수 있다. 그리고 태양광 발전비용의 감소를 가능하게 만들었다. 그것은 왜 ASI가 두 나라 간 협력 연구에 지원을 하였는지의 이유이다. 끝으로, 호주-독일 협력적 태양에너지 연구 및 개발 프로그램을 통해 이상의 연구가 수행되었다.” GTB

그림. Schimidt 교수와 Lips 박사

자립형 간이통신기지국
東京工科大와 개발
東京工科大學의 田胡和哉 교수와 「수도권 정보산업특구・八王子」구상추진협의회(사이버 실크로드 八王子, 東京都 八王子市)등의 연구팀은 태양전지로 가동하는 자립분산형 간이통신기지국을 개발했다. 산간지역의 관광지나 피해재난지역 등 전력이 미치지 않는 지역의 통신 인프라로서 지자체에 제안한다. 장치설계를 소바스(八王子市), 제조를 나카츠(동)가 담당하여 산학 연대로 사업화를 도모한다.
300미터 간격으로 기지국을 설치하여 통신 네트워크를 만든다. 하나의 기지국이 파괴되어도 자동으로 네트워크를 재구성하는 기능을 마련하였다. 전원에 납축전지를 탑재, 야간에도 가동한다. 안드로이드 단말기와 연동하기 쉽도록 하기 위해 기본 소프트(OS)에 리눅스를 채용했다.
관광지에서는 관광안내, 재난피해지역에서는 복구 정보 등을 배신(配信)한다. 앞으로 용도에 따른 어플리케이션을 개발해 나갈 것이다. 일간공업

그림 1. 유리 슬라이드 위에 구현된 액체 태양전

그림 2. CdSe와 TTT-가 결합되어 있는 구조를 보여주는 모식도

나노결정으로 만들어진 저렴한 액체 태양전지
USC의 연구진은 나노결정으로 저렴하면서 안정적인 태양전지를 만들 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 나노결정은 너무나 작아서 액체 잉크로서 존재될 수 있고 깨끗한 표면 위에 칠해지거나 인쇄될 수 있다.
나노결정은 약 4 나노미터의 크기를 가지고 있는데, 이것은 핀 헤드(head) 위에 250,000,000,000개 이상 설치할 수 있다는 것을 의미한다. 또한 이것은 액체 용액 속에서 부유하기 때문에 신문을 인쇄하는 것과 같이 태양전지에 인쇄될 수 있다고 USC 대학의 조교수인 Richard L. Brutchey가 말했다.
이번 연구진은 나노결정을 위한 새로운 표면 코팅을 개발했는데, 이것은 반도체인 셀렌화 카드뮴(cadmium selenide)으로 만들어진다. 이 연구는 국제 저널인 “Dalton Transactions”에서 큰 이슈가 되었다. 액체 나노결정 태양전지는 단일 결정 실리콘 웨이퍼 태양전지보다 더 저렴하게 제조할 수 있지만 태양광을 전기로 변환시키는데 효율적이지 않다. 이번 연구진은 액체 태양전지의 중요한 문제(전기를 전도할 수 있는 안정적인 액체를 만들 수 있는 방법) 중의 하나를 해결했다.
이번 연구진은 TTT-(1,2,3,4-thiatriazole-5-thiolate anion)은 CdSe 나노결정을 위한 강력한 결합 리간드라는 것을 발견했다. 이것은 일반적인 극성 용매 속에서 콜로이드 현탄액을 안정시킬 수 있는 다양한 긴-사슬 리간드를 가지고 있다. TTT- 리간드는 티오시안산염(thiocyanate)을 생성하기 위해서 <100℃에서 열분해되는데, 이것은 나노결정 박막 속에서 감소된 양자 구속을 초래한다. CdSe(TTT)는 CdSe(SCN)보다 훨씬 더 높은 콜로이드 안정성을 가진다. 과거에, 유기 리간드 분자들은 안정적 상태를 유지하고 서로 고착되는 것을 예방하기 위해서 나노결정에 부착되었다. 이런 부착으로 인해서 이런 분자들은 결정을 보호했는데, 이것은 전기 전도를 크게 방해했다. 이것은 이 분야에서 해결되어야 할 주요 문제 중의 하나였다고 연구진은 말했다.
이번 연구진은 합성 리간드(synthetic ligand)가 나노결정을 안정적인 상태에서 잘 작동하게 하고, 전류를 전도하는데 도움을 주도록 나노결정을 연결하는 매우 작은 브리지(bridge)를 만든다는 사실을 증명했다. 상대적으로 저온 프로세스를 가진 이번 방법은 태양전지가 어떤 용융 없이 유리 대신에 플라스틱 위에 인쇄될 수 있다는 것을 보여주었다. 이 연구결과는 모양에 제한 없이 어느 곳에나 적용 가능한 플렉서블 태양 패널을 만들 수 있게 할 것이다.
연구진은 IV-VI, III-VI, I-III-VI, I-IV-VI 반도체에 대한 합성 효과를 집중적으로 조사했다. 연구진은 비독성이면서 지구상에 풍부한 광발전 물질을 사용해서 하이브리드 무기/유기 태양전지를 제조하는데 이 반도체 나노결정을 사용하였다. 연구진은 이 연구를 지속할 예정이고, 카드뮴 이외의 다른 물질로 나노결정을 만들 계획을 가지고 있다. 왜냐하면 카드뮴은 유해 물질이어서 이런 독성 때문에 상업적인 적용이 제한된다.
이 기술의 상업화는 앞으로 몇 년이 걸리겠지만, 이 기술은 차세대 태양전지을 향한 새로운 길을 열어줄 것이다. 이 연구결과는 저널 “Dalton Transactions”에 “Nanocrystal ligand exchange with 1,2,3,4-thiatriazole-5-thiolate and its facile in situ conversion to thiocyanate” 라는 제목으로 게재되었다. GTB

EV용 급속충전 시스템
태양광・축전지를 병용
GS유아사는 태양광 발전과 리튬이온 2차 전지를 조합시킨 전기자동차(EV)용의 급속충전 시스템 「PV-EV시스템」을 발매했다. 三菱自動車의 EV 「아이 미브」에 탑재한 전지와 동등한 용량의 산업용 리튬 전지를 채용하여, 정전 시 등의 비상용 전원으로 사용할 수 있다.
대규모의 고압수전(受電)설비의 공사가 불필요. 가격은 공사비와 태양광 발전시스템은 별도로 1260만 엔. 연간 100대의 판매를 목표로 한다.
4킬로와트의 태양광 발전 시스템과 조합시켰을 경우, 아이 미브를 대상으로 전지 잔량이 반인 단계에서 풀 충전하면 연간 500회 충전할 수 있을 분량의 전력을 태양광 발전만으로 충족시킬 수 있다는 계산이 된다고 한다. 야간 등은 계통전력으로 축전하여 급속 충전할 수도 있다.
리튬이온 2차 전지, EV용 급속 충전 시스템, 태양광 발전용 파워컨디셔너 세 가지를 다루고 있는 GS유아사의 강점을 살렸다.
지자체 시설이나 아파트 단지 등에서 채용할 것으로 전망하고 있다. 일간공업