집전극에 구리 사용
박막태양전지 원가 절감 기여
카네카는 은의 대체로 구리를 전극(집전극)에 사용한 박막 하이브리드형 태양전지를 벨기에의 연구기관 IMEC와 공동으로 개발했다. 구리를 전기 도금한 전극을 박막 하이브리드형 태양전지로 이용하는 것은 세계 최초라고 한다. 구리로 대체함으로써 대폭적인 원가 절감을 꾀할 수 있는 이외에 전극의 저(低)저항화와 세선화(細線化)를 실현할 수 있다.
사방 6인치의 박막 하이브리드형 태양전지로 투명도전막 위에 구리를 전기 도금하여 전극을 형성한 결과, 빛을 전력으로 하는 변환효율은 21% 이상을 달성했다. 앞으로 양산화를 위하여 개발을 추진한다. 발매 시기는 미정이라고 한다. 지금까지 전극은 은을 스크린 인쇄하여 형성해 왔다. 그러나 은이 고가인데다가 전극의 저저항화와 세산화가 과제가 되어 왔다.
카네카는 태양전지의 연구를 위해 2009년에 벨기에 자회사에 태양전지 연구부문을 설치. IMFC와 연구위탁 계약을 체결했다.
일간공업

태양 전지 집광 효율을 향상
캘리포니아 대학 (UC) 연구팀은 태양 전지용 발광형 집광기를 다시 디자인하고 태양 전지에 태양광을 보낼 때의 효율을 향상시켰다. 이 발전은 태양광 에너지의 이해에 중요한 돌파구가 될 수 있다고 UC 머시드 대학 물리학 교수 Sayantani Ghosh는 말한다. “우리는 기존 평면 형태의 태양 전지 발광 집광 형태에 원통형 만들고 바꾸었다. 이 구조 설계가 효율을 크게 향상시킨다는 놀라운 결과가 발견되었다. “라고 Ghosh 씨는 말한다.
발광형 집광의 상용화를 방해하는 큰 문제는 자기 흡수율이다. 즉, 발광 집광은 생성된 대부분의 빛을 태양 전지에 수송하지 않고 흡수해 버린다. 연구팀은 이 문제가 집광 형태를 변경하여 해결할 수 있는 것을 밝혔다. 평면형 집광 및 중실축의 원통형 집광에 비해 중공의 원통형 태양 전지 집광이 더 우수하다는 것을 발견하였다. 중공 원통은 더 많은 햇빛을 흡수하면서도 자기 흡수에 의한 손실이 적다.
태양 전지용 발광형 집광기는 넓은 영역 색상의 태양 광선을 흡수하고 좁은 영역의 광선 (예 : 빨강)을 다시 발광하도록 설계되고 있다. 이것은 다운 컨버터로 알려져 있는 과정이다. 이 (재 발광한) 빛이 광전류를 (태양 전지) 발생시키기 위해 태양 전지에 공급된다. 집광에 내장된 양자가 이 색상 변환 (즉, 파장 변환)하는 물질이다.
기존의 태양 전지를 넘는 최대의 장점은 흐린 날 같은 산란광 속에서도 발전하는 것이다. 그리고 이러한 장점 덕분에, 항상 태양 방향으로 돌릴 필요가 없고, 추적 장치가 필요없다. Ghosh 씨에 의하면, 이 발견은 상업적으로 실현 가능한 태양 전지 발광 집광을 현실화 시킨다고 한다. 이번 디자인은 양자의 사용 횟수가 동일하며 따라서 비용 증가 없이 성능이 향상되기 때문이다.
이것은 인프라 비용을 절감하고, 또한 집광이 벽이나 창문 같은 수직면과 일체화 할 수 있는 가능성이 있다. 다음 할 일은 원통형 태양 전지 발광 집광로로 만든 대형 어레이를 개발, 태양 전지 패널의 효율 향상을 쫓아가는 것이다. 팀은 지난 가을 저널 “Optics Express”에서, 본 연구에 관한 논문 “Cylindrical luminescent solar concentrators with near-infrared quantum dots (근적외선 양자의 원통형 태양 전지 발광 집광)”을 게재했다. GTB

태양전지 프로세스 비용을 반으로 줄여줄 수 있는 공정 개발
캘리포니아(California), 산요세(San Jose) 소재 창업기업인 Twin Creeks Technologies사는 실리콘(silicon) 태양전지를 만드는 비용을 엄청나게 절약할 수 있는 방법을 고안하여 왔다고 말하였다. 이 기업의 기술은 태양전지를 만드는 데 필요한 실리콘 양과 태양전지 제조설비 비용 모두를 감소시켜줄 수 있다. Twin Creeks Technologies사는 태양전지를 1와트 당 40센트 정도의 비용을 생산할 수 있다. 현재 가장 저렴한 태양전지가 80센트임을 감안할 때 이는 기존 비용을 반 정도 감소시킨 것이라 판단된다.
Twin Creeks사 접근방식은 와이어소(wire saw)와 관련 설비 등의 사용을 감소시킬 수 있고 좀 더 가는 웨이퍼(wafers)를 만들 수 있는 프로세스(process)와는 다르다. 매우 얇은 웨이퍼를 만들 수 있는 Twin Creeks사의 생산시스템은 “하이페리온(Hy-perion)”이라 명명되었다. 이 기술은 Twin Creeks사에서 PIE (Proton Induced Exfoliation: 양성자 유발 박리)로 묘사되어졌다. 결정질 실리콘 웨이퍼 - 대부분 태양전지가 되는 - 들은 전통적으로 200마이크로미터(micrometer) 두께의 웨이퍼에서 실리콘 실린더(cylinder) 또는 실리콘 덩어리를 연마하는 과정에서 만들어진다. Twin Creeks사의 주장에 따르면, 하이페리온의 주요 키(key)는 ”가늚“이다. 그들이 만드는 웨이퍼는 정말 가늘다.
Twin Creeks사 사업계획은 태양전지 자체를 생산하는 것이 아니라 제조설비를 판매하는 것이다. 판매 포인트(point)는 가는 웨이퍼를 보유하고 있는 제조업체들이 수익성이 높은 태양전지를 생산할 수 있으며, 다른 설비들은 업체 최고의 비용구조 이하에 있다고 Twin Creeks사는 주장하였다. Twin Creeks사는 하이페리온이 제조업체들로 하여금 상업용 규모의 생산설비의 경우 와트당 40센트 이하로 태양전지를 생산할 수 있게 해줄 것이라고 평가하였다. 그로 인해 태양전지 가격은 많이 떨어질 것임에 분명하다.
좀 더 큰 그림을 그리고 있는 Twin Creeks사의 비전(vision)은 태양광 발전소 설치비용 측면에서 실제 차이를 발생시키고자 하는 것이다. Twin Creeks사는 실리콘이 아직은 완성된 태양모듈 중에서 가장 비용이 많이 들어가는 부품임을 강조하였다. 그리고 단품으로 가장 높은 가격이 지불되어야 한다. 특히, 태양광 발전소가 건설될 때 말이다.
Twin Creeks사의 웹사이트(website)에 따르면, 이 기업의 목적은 그리드 패러티(grid parity)를 달성하기 위해 태양에너지의 비용을 감소시키는 데 있다고 한다. 이 기업은 하이페리온 시스템이 전통적인 실리콘 태양 웨이퍼의 두께보다 10분의 1이하의 초극박 웨이퍼를 생산하는 데 도움을 줄 수 있다고 말하였다.
“하이페리온은 고비용의 단결정 웨이퍼에 의존하고 있는 다른 산업들의 비용구조를 기본적으로 변화시킬 수 있다.”
이러한 점을 증명하기 위해 Twin Creeks사는 연간 25MW의 태양전지를 생산할 수 있는 공장에 이 기술을 도입하였다. 이 공장은 미시시피(Mississippi) 센아토비아(Senatobia)에 설치되었다. 태양에너지 설비 공장은 미시시피 주, 벤처캐피탈(venture capital), 그리고 다른 원천의 금융기관에서 출자한 대출에 의해 건설이 되었다. 이 공장은 Twin Creeks사와 그의 고객들이 하이페리온 기술이 도입된 초극박 태양모듈과 웨이퍼를 생산하기 위한 미세 프로세스를 진행할 수 있는 곳으로써 활용이 되고 있다. 현재 연간 25MW 규모의 태양전지를 생산할 수 있는 이 공장은 100MW까지 용량이 확대될 것이다. GTB

빛을 방출하는 태양 전지
최대의 에너지를 내기 위해서는 태양 전지가 가능한 한 많은 양의 태양열을 흡수해야 한다고 알고 있다. 그러나 버클리 캘리포니아 주립 대학의 연구진은 태양 전지는 LEDs처럼 태양열을 잘 흡수하는 것만큼이나, 그것을 잘 방출해야 한다는 뜻밖의 연구 결과를 내놓았다. “좋은 태양 전지는 광자를 방출함으로써, 더 높은 전압을 얻을 수 있고, 그것의 생산 효율성 또한 높일 수 있다는 것을 우리는 입증했다.”라고 UC 버클리의 전기 공학과 교수이자 수석 연구원인 Eli Yablonovitch가 말했다.

1961년 이후로, 가장 이상적인 조건에서, 전형적인 태양 전지로 우리가 얻을 수 있는 전기 에너지의 양은 제한되어 있다고 알려졌다. 이 절대적인 한계는 이론적으로 약 33.5%이다. 이 말은 최대 약 33.5%만이 광자로부터 흡수되어 유용한 전기 에너지로 변환된다는 뜻이다. 그러나 지난 50년 동안, 연구진은 이 수치에 근접한 효율성을 달성할 수가 없었다. 2010년 기준으로, 가장 높은 효율 달성률은 26%이다. (이는 평판의 “단일 접합” 태양 전지로, 이것은 특정 주파수 위의 광파를 흡수한다. 여러 개의 층을 가지고 있어서 다양한 주파수를 흡수하는 “다중 접합” 전지는 좀 더 높은 효율성을 얻을 수 있다.)
최근, Yablonovitch 와 그의 동료는 왜 이론적 한계와 실제로 연구진이 얻을 수 있는 효율성 사이에 큰 격차가 발생하는지를 이해하려고 애썼다. 그들은 이것에 관한 연구를 하면서, 어떠한 일관된 그림을 떠올리기 시작했다고 UC 버클리의 대학원생이자 Yablonovitch의 학생인 Owen Miller가 말했다. 그들은 비교적 간단하면서도, 일반적이지 않은 결론에 도달했다. 그 해결책은 빛의 흡수와 방출 사이의 수학적 연관 관계에 기반을 두고 있다. “기본적으로, 흡수와 방출 사이에는 열역학적인 관계가 있다.”라고 Miller는 말한다. 빛을 방출하는 태양 전지를 설계하면, 광자는 전지 안에서 “손실”되지 않는다. 이로 인하여 태양 전지에 의해 생산되는 전압을 증가시키는 자연스러운 효과가 있다. “빛을 잘 방출시키는 태양 전지는 또한 높은 전압을 생성할 수 있다. 그리고 전지의 각 단위는 태양으로부터 얻을 수 있는 전기 에너지 양을 증가시킬 것이다.”고 그는 말했다.
발광 방출과 전압이 밀접히 연결되어 있다는 이론은 새로운 것이 아니다. 그러나 이러한 생각을 태양 전지의 설계에 적용한 적은 없었다. 지난해, Yablonovitch가 공동 설립하여, 베이 에리어에 기반을 둔 알타 디바이스사는 이러한 개념을 기반으로 해서, 위성의 태양 전지를 만드는 데 종종 사용되는 갈륨비소를 이용하여 새로운 태양 전지 원형을 만들었다. 이 원형은 26%의 효율성을 28.3%로 끌어 올림으로써, 기록을 달성했다. 이 회사는 전지로부터 빛이 가능한 한 쉽게 빠져나갈 수 있도록 전지를 설계함으로써 부분적으로 큰 성과를 거두었다. 이것은 뒷면 거울의 반사율을 증가시켜서, 들어오는 광자를 장비의 앞쪽을 통해서 내보내는 기술을 이용한 것이다.
태양 전지는 태양으로부터 들어온 광자가 전지 내의 반도체 물질과 부딪히면서 전기를 생산한다. 광자의 에너지는 이 물질과 부딪히면 전자를 풀어주어, 전자가 자유로이 이동할 수 있게 한다. 그러나 전자를 자유롭게 풀어주는 과정은 또한 새로운 광자를 생성하기도 하는데, 이러한 과정을 발광이라고 부른다. 새로운 태양 전지 설계 뒤에 숨겨진 생각이 바로 이러한 광자들이다. 이들은 태양으로부터 직접 오지 않기 때문에, 전지로부터 빠져나가기 쉽다.
“일반적인 사람들의 첫 번째 반응은 왜 이들 광자가 빠져나가도록 돕느냐는 것이다. 그들은 “광자를 그 안에 가두면, 좀 더 많은 전자가 생성될 것이다.”라고 생각한다. 그러나 수학적으로, 새로운 광자를 내보내면 전지가 생산할 수 있는 전압이 증가한다.”라고 Miller는 말했다.
이 연구는 과학자들이 어떻게 태양 전지의 성능을 향상하는지 결정하는 “아주 훌륭하고 유용한 방식”임과 동시에, 새로운 방식으로 태양 전지를 시험하고 연구하는 것이기도 하다. Yablonovitch 는 연구진이 이 방법을 이용하여 내년에는 30%의 효율성을 달성하길 희망한다. 그리고 이 연구가 모든 종류의 태양 전지에 적용된다면, 이 발견은 이 분야의 전반에 걸쳐 영향을 미칠 것이다. GTB
태양전지 모듈
이탈리아의 발전소에 10메가와트 분량 공급
京세라는 이탈리아의 에너르미르가 운용하는 대규모 발전소(메가솔라)에 합계 10메가와트 분량의 태양전지 모듈을 공급했다. 이미 이 메가솔라를 위해 6메가와트 분량의 같은 모듈의 공급실적이 있다. 일간공업

川重이 패터닝 장치
박막태양전지용
川崎重工業은 박막태양전지 제품용 레이저 패터닝 장치를 개발했다. 유리 기판 위에 적층한 막의 홈(도랑)선(線)을 가공할 수 있기 때문에 발전효율의 향상 등을 전망할 수 있다. 2012년 4월에 발매. 첫해 2대의 수주를 목표로 한다.
개발한 장치는 박막 실리콘과 CIGS(구리·인듐·갈륨·셀렌)의 기판에 대응한다. 특수한 레이저 조사 장치와 반송부로 구성되어 있어 유리 기판을 조사장치 위로 통과시켜서 가공할 수 있다. 유리 기판을 왕복시키면서 레이저를 조사하는 종래 방식에 비해 유리 기판 1장의 패터닝 시간의 70% 단축할 수 있다. 또 폭이 균일하여 요철이나 변형이 적은 매끄러운 홈을 가공할 수 있다. 선 폭을 동 약 80% 감소시킨 10마이크로미터로 억제할 수 있기 때문에 비발전 영역의 최소화 등으로 이어질 수 있다. 일간공업

태양전지를 조준한 궁극의 전하 분리 구조를 가진 고분자 재료의 합성에 성공
일본 자연과학 연구 기구 분자 과학 연구소 연구 그룹은 전자 도너(donor)(주 1)와 억셉터(acceptor)(주 2)를 중합하는 것으로써 전하 분리(주 3)를 제어하여 광전 변환을 고효율로 하는 이차원 고분자 재료의 합성에 성공하였다.
빛을 전기로 변환하기 위해서는 광 여기로 발생하는 전하 분리 상태를 얼마나 효율적으로 만드는 것이 중요하지만 여기에는 광 조사로 전자를 방출하는 도너와 방출된 전자를 받고 전극까지 옮기는 억셉터의 두 종류의 재료가 필요하다. 그러나 전하 분리 상태를 만들기 위한 전자 도너와 억셉터의 혼합은 일반적으로 무작위로 행해지고 있었기 때문에 분리가 일어나는 도너·억셉터 계면의 형성이나 거기서 발생한 전자의 이동은 지금까지 제어할 수 없었다. 또한 전자 도너와 억셉터는 용이하게 혼합되어 광 여기 에너지가 곧 바로 제거되어 전하 분리 상태는 잃게 되어 버리는 문제가 있어 변환 효율의 향상은 한계점 도달이 되고 있었다. 이러한 문제점에 대해서 전자 도너와 억셉터를 공간적으로 독립시키면서 전자 이동이 일어날 수 있는 가까운 거리에 유지할 수 있는 분자 구조가 요구되어 있었다.
연구 그룹은 이차원 고분자(적층에 의해서 다공성 유기 구조체를 형성)가 가지고 있는 규칙있는 주기 구조에 주목하였다. 전자 도너에 triphenylene 유도체, 억셉터에 benzothiazole 유도체를 이용하여 중축합 반응(주 4)에 의해 이차원 고분자를 합성하였다. 이차원 고분자는 도너와 억셉터 유닛을 교대로 연결하여 규칙있는 육각 나노 포아(nano pore)의 이차원 시트를 형성하여 적층하면 전자 도너와 억셉터가 서로 바로 위에 오도록 겹치는 구조를 형성하였다. 이러한 이차원 평면 내에 있어서의 도너와 억셉터의 주기적인 칼럼 구조는 세로로 집적되어 공간적으로도 독립되어 있다. 이러한 질서 구조를 가지는 이차원 고분자는 전자와 홀 양쪽 모두를 전도할 수 있어 각각 0.04로 0.01cm2V-1 s-1이라고 하는 높은 이동도를 나타내었다.
이 수치는 통상 도너와 억셉터 혼합계와 비교하여 한 자릿수나 높은 값이다. 또한 이 이차원 고분자 내에서는 전자 도너와 억셉터는 인접하고 있기 때문에 전하 분리가 일어나는 계면의 면적이 증대함과 동시에 전자 이동을 일으킬 수 있는 공간 거리에 배치되어 있다. 이러한 조건이 수집됨으로써 실험적으로 빛을 조사하면 신속하게 응답하여 무작위인 혼합의 경우와 비교하여 1만 배라는 상당히 큰 광전류를 발생시키는 것이 증명되었다.
그리고 디바이스화를 위하여 평평하고 결함이 없는 이차원 고분자 박막을 만드는 수법도 개척하였다.
본 연구의 성과인 전하 분리나 전자 이동의 제어가 가능한 궁극의 구조를 가진 전자 도너·억셉터 이차원 고분자를 재료로서 이용하는 것으로 향후 차세대 태양전지를 비롯한 광전 변환 디바이스의 변환 효율 향상으로 연결되는 신 재료 개발에서의 전개를 기대할 수 있다.
이번 개척된 합성 수법은 전자 도너와 억셉터를 궁극의 주기 구조에 조직화하는 것이 가능하고 다양한 π전자(주 5)계에 넓게 적응하는 것이 가능하다. 또한 기판 상에서 전하 분리 구조체를 구축하는 것이 가능하기 때문에 향후 이차원 고분자 신 재료를 전지 구조에 어떻게 조립할 수 있는 하는 검토나 태양광을 효율적으로 흡수할 수 있는 색소로 동일한 이차원 고분자 재료를 작성하는 것을 검토하여 태양전지를 비롯한 광전 변환 디바이스에서의 전개를 기대할 수 있다. 이러한 분자 레벨로 구조가 완전하게 제어된 디바이스의 개척은 지금까지 없는 효율 좋은 광전 변환의 실현으로 연결될 것으로 예상된다. GTB

<그림1> 전자 도너와 억셉터를 이용한 이차원 고분자의 기본 구조

<그림2> 이차원 고분자의 적층 구조 및 도너와 억셉터의 주기 구조

<그림3> 빛을 조사했을 때 시간당의 전류량

(주1) 전자 도너 - 광 야기로 전자를 방출하는 분자.
(주2) 전자 억셉터 - 광 야기로 전자를 받는 분자.
(주3) 전하 분리 - 광 조사에 의해서 반도체에 발생하는 전자와 정공이 공간적으로 분리하는 것.
(주4) 중축합반응 반응 - 축합을 반복해 고분자 화합물을 생성하는 반응.
(주5) π전자 - 분자 중에서 결합축 상에 없고 축을 포함한 평면에 마디를 가지고 있는 파동관수에 의해서 나타내지는 분자 궤도에 속하는 전자.