태양광 발전의 효율화 순조
東芝 주택용 20.1%로 향상
샤프 비집광 셀에서 37.7%
대형 전기 메이커가 태양광 발전의 효율화를 위한 기술개발을 강화하고 있다. 東芝는 주택용 태양광 발전시스템의 변환효율을 20.1%로 향상. 샤프는 연구레벨의 비집광 태양전지 셀에서 변환효율 37.7%를 달성했다. 태양에너지를 전기로 유효하게 이용할 수 있는 비율을 나타내는 변환효율은 수치가 클수록 고성능이라고 알려져 있다. 각 사는 변환효율을 높이기 위한 연구 개발에 주력하고 있다.
東芝는 주택용 태양광 발전시스템의 신제품을 지난 연말에 발매했다. 변환효율은 20.1%로 종래보다 0.8포인트 향상. 미국 썬파워의 패널을 채용하고 있으며, 출력은 250와트.
이 회사에 따르면 일본에서 유통되고 있는 태양전지 모듈의 평균 효율에 비교하여 연간 50% 많은 발전량을 얻을 수 있다고 한다. 모듈의 가격은 19만 1625엔. 최종 소비자는 공사비 포함 1킬로와트 당 50만 - 55만 엔에 구입할 수 있을 전망.
東芝는 주택용 태양광 발전 시스템을 강화하고 있는데, 일본 내 점유율을 2011년도의 7%에서 2015년도에 15%로 끌어올릴 방침.
샤프는 세 개의 광흡수층을 적층한 화합물을 3접합형 태양전지 셀로 37.7%를 달성했다. 연구 레벨의 비집광 태양전지 셀에서는 높은 변환효율을 보인다고 한다. 빛을 전기로 변환하는 면적비를 늘렸다. 개발 성과를 살려서 앞으로는 인공위성 등의 우주용 등에서 실용화를 지향한다.
新에너지ㆍ産業技術總合開發機構(NEDO)의 「혁신적 태양광 발전기술연구개발」의 일환. 화합물 태양전지 셀은 인듐, 갈륨 등 2종류 이상의 원소로 된 화합물을 재료로 한 광흡수층을 가진 태양전지. 샤프는 2011년도에 변환효율 36.9%를 달성한 바 있다. 일간공업

구상 셀이나 유기 박막으로 실현, 빛을 투과하는 ‘태양전지’
- 구상(球狀) 셀로 집광능력은 3배 / 유기 박막으로 유연하고 see-through / 변환 효율을 기록 갱신, 37.7%를 달성 / 수상(水上)의 공간도 유효 활용 -
일본에서 열린 ‘제 6회 국제 태양전지전(PV EXPO 2013)’에서는 변환 효율을 높인 태양전지 셀 / 모듈뿐만 아니라 구상 태양전지 셀이나 유기 박막 태양전지 등 광을 투과하는 ‘see-through 태양전지’를 실현하는 기술이 주목을 받고 있다.
태양전지는 빛 에너지를 직접 전력으로 변환할 수 있는 디바이스 / 장치이다. 빛을 흡수하는 층의 재료 등에 따라 몇 가지의 종류로 분류된다. 현재 주류가 되고 있는 것이 실리콘(규소)을 베이스로 한 것으로, 단결정이나 다결정 등의 결정계와 아몰퍼스(amorphous)계가 있다. 또한 결정 실리콘과 아몰퍼스 실리콘을 적층한 하이브리드형도 있다. 이러한 것 중에서 변환 효율의 향상은 영원한 개발 테마이다. 아울러, 새로운 비용 삭감도 요구되고 있다. 한편 기존의 태양전지와는 다른 신기술로서 태양광의 에너지로 발전하는 것에도 불구하고 빛을 투과하는 ‘see-through 태양전지’도 주목을 받고 있었다.
일본 Sphelar Power는 구상의 태양전지 셀과 그 응용 기술을 제안하였다. 시범 제작한 구상 태양전지 셀의 직경은 1.2mm로 상하에 전극을 설계하였다. 다수의 구상 태양전지 셀을 2매의 유리 기판 등으로 태양전지 모듈을 구성하고 있다. 태양전지 셀은 수광면이 구상 때문에 모든 방향에서의 빛을 효율적으로 집광할 수 있다고 한다. 일반적인 평판형의 태양전지 셀에 비해 집광능력은 약 3배가 된다. 1일을 통한 적산 발전량에 대해서도 집광할 수 있는 각도가 넓은 것으로부터 평판형 태양전지 셀의 약 2배에 이른다.
구상 태양전지 셀은 평판형에서 흑색의 일반적인 태양전지와는 달라 입사광을 모두 차단하지 않는다. 이로 인해 광 투과도 높은 see-through 태양전지를 제작할 수도 있다. Sphelar Power는 빌딩의 유리 벽면이나 고속도로 등의 방음 측벽이라는 용도에서의 적용을 상정하고 있다. 이러한 점 외에 자동차 전용에서도 경량으로 곡면에도 대응할 수 있는 FRP(섬유강화 플라스틱) 구조체와 구상 태양전지 셀을 일체 성형한 패널도 개발하고 있다.
일반적인 태양전지가 실리콘이나 무기 화합물 재료를 사용하는데 대해 광 흡수층(광전 변환층)에 유기 화합물을 이용하는 것이 유기 박막 태양전지이다. 제법(製法)이 비교적 단순하기 때문에 생산 비용을 억제할 가능성이 높고 형상의 유연성에도 우수하다는 특징이 있다. 유기계 태양전지로서는 도전성 폴리머(polymer)나 풀러렌(fullerene)(탄소 동소체(同素體)의 일종)을 조합한 유기 박막 반도체를 이용하는 ‘유기 박막 태양전지’, 유기 색소를 이용하여 광 기전력을 발생시키는 ‘색소 증감 태양전지’ 등이 있다.
일본 이토우(Itou) 전자공업은 야마가타(Yamagata) 대학과의 공동 연구에 의한 성과로서 유기 박막을 사용한 태양전지(OPV : Organic Photovoltaics) 패널의 시범 제작 제품을 전시하였다. 유기 박막이기 때문에 유리 기판뿐만 아니라 유연한 필름 기판 등도 이용할 수 있어 반투명화나 박형・경량화가 용이한 점이 특징이다. 예를 들면 유리 기판에서는 두께가 1.5mm지만 필름 기판이면 두께를 0.1 mm로 얇게 할 수 있다. 곡면 등의 용도에도 대응할 수 있기 때문에 새로운 용도 개척의 가능성이 있다고 한다.
즉 대면적화가 용이하고 곡면 등에서의 대응도 가능하기 때문에 용도의 범위가 넓어져 자동차의 선루프 등에서도 조립이 가능하게 된다.
일본 이토우 전자공업이 시범 제작 / 전시한 1.2 cm2의 소자 6개를 직렬로 접속한 OPV 패널의 출력은 태양광 아래에서 21.6 mW, 실내등 아래에서는 4.32 μW이다. 이외에도 플렉서블 OPV 패널, 투명 OPV 패널 등의 개발 제품을 전시하였다. OPV 패널의 실용화에 관해서는 3년 후인 2016년을 목표로 하고 있다. 당면과제로서 투명하고 유연한 기판을 사용했을 경우에서도 OPV 패널의 변환 효율을 최저라고 하더라도 3%까지 높이고 싶다고 한다. 그리고 제품 수명 10년 이상을 목표로 할 것이라 한다.
샤프(Sharp)는 태양전지에 관한 3개의 최첨단 기술을 전시하였다. 첫 번째 기술로는 37.7%의 변환 효율을 달성한 기술이다. 지금까지의 36.9%로부터 0.8% 향상되었다. 셀 주변부의 데드 에어리어(dead area)를 축소하여 유효한 수광 면적의 비율을 높인 점이나 단축 전류 밀도를 기존의 14.1 mA/cm2에서 14.6 mA/cm2로 높인 점 등이 변환 효율의 향상에 결합되었다고 한다. 이 기술은 한정된 스페이스 밖에 사용할 수 없는 인공위성 등의 용도에 유용하다고 한다.
나머지 두 가지 기술은 새로운 셀 구조로 하는 것으로 변환 효율 22.3%를 실현한 이면 전극형 태양전지 ‘차세대 BLACKSOLAR’와 11.9%의 변환 효율을 달성한 색소 증감 태양전지이다.
태양전지 셀의 요소 기술과 더불어 시장 확대를 위한 새로운 제안도 볼 수 있었다. 한국 LG그룹의 LS산전은 수상에 설치할 수 있는 태양전지 모듈을 전시하였다. 2011년 11월에는 한국에 있는 댐의 호수면에 설치되어 출력 100 kW의 상업 발전도 개시하고 있다. 육상에 설치하는 경우에 비해 수면 온도로 태양전지 모듈이 냉각되기 때문에 발전 효율은 10% 증가한다고 한다. 태양전지 모듈에 대해서는 충분한 방수, 방습 대책 등을 세우고 있다. GTB

그림 1. 구상의 태양전지 셀은 평판형에 비해 빛을 받는 각도가 넓고 1일 발전량도 증가한다. 구름이 낀 날이나 고위도 지역 등에서도 그 효과가 확인되고 있다고 한다(사진 위쪽의 부분에 구상 태양전지 셀을 이용하여 시범 제작한 유리창이 끼워 넣어지고 있다).

그림 2. 이토오 전자공업의 OPV 패널

그림 3. (좌) 변환 효율 37.7%를 달성한 태양전지 셀 / (중앙) 변환 효율 22.3%의 이면 전극형 태양전지 ‘차세대 BLACKSOLAR’ / (우) 변환 효율 11.9%의 색소 증감 태양전지

양자 도트 태양전지
東北大가 이론
변환효율 50% 이상
단백질로 초(超)격자 구조
東北大學의 원자분자재료과학 고등연구기구의 寒川誠二 교수 등 연구팀은 단백질을 사용하여 태양에너지를 전기로 변환하는 변환효율 50% 이상이라는 3차원 초격자 실리콘 양자도트(반도체 미립자) 태양전지 구조를 이론적으로 밝혀냈다. 새로운 계산 방법을 개발함으로써 실리콘 양자 도트의 최적의 크기와 간격, 매립 재료를 설계했다. 203년 후를 목표로 동 효율 30% 이상의 시작품을 만들고, 5년 후에 동 40% 이상의 양자도트 태양전지를 실용화할 계획이다.
초격자 구조는 노벨상 수상자인 江崎玲於奈씨가 제안한 것으로 나노구조를 균일하게 주기적으로 위치 제어하여 3차원 배치한 구조. 이것은 초고효율 광흡수와 전하의 초고속 전도가 가능하게 되는 꿈의 구조인데 이 구조로 된 양자 도트 태양전지는 아직 실현되지 않았다.
이번 연구에서는 우선 n형 탄화실리콘(SiC) 위에 두께 5나노미터의 결정화 실리콘과 두께 2나노미터의 SiC를 겹친다. 그 위에 철 미립자 내포 단백질을 배치한 후 단백질만을 제거하고 균일하게 고밀도 간격으로 배치한 직경 4.5나노미터의 철 미립자를 마스크(회로기판)로 하여 염소원자 빔으로 가공. 또한 SiC를 매립 양자 도트 초격자 구조로 하였다.
이 구조를 n형 및 p형 SiC층에 끼우고 새로운 계산 수법을 이용하여 최대 에너지 변환효율 50% 이상이라는 양자 도트 태양전지를 실현할 수 있다는 것을 이론적으로 보여 주었다. 일간공업

2013년, 태양광 발전기술 동향 분석보고서
연간 성장률이 지난 10년 동안 지속적으로 낮아지고 있다. 그로 인해, 태양광 발전산업은 새로운 기회를 촉진할 수 있는 신흥시장을 준비하고 있다.
2012년 태양광 발전기술에 대한 수요는 약 29.0GW이다. 이는 2011년 27.7 27.7GW 대비 5% 정도만 증가한 것이라고 NPD Solarbuzz Marketbuzz 태양에너지 동향보고서는 주장하고 있다. 이는 10년 이내에는 최초의 경우이다. 이는 태양광 발전산업 내 연간 시장성장률이 10% 이하였던 것을 보여주고 있다.
2012년 동안, 그리고 최소 2013년 초, 태양광 발전산업은 2012년 최종 태양광 발전기술 수요가 30GW 수준 이상을 넘어설 것이라고 희망하고 있다. 2012년 동안 평가된 수치는 35GW이다. 왜냐하면, 태양광 발전 기업들이 공급/수요 불균형이 수정되고 있었으며, 수익 수준이 빠르게 회복되고 있다는 긍정적인 신호를 찾았기 때문이다. 궁극적으로, 2012년 동안 태양광 발전기술 수요는 30GW 보다는 조금 떨어질 것이다.
2012년 동안 감소된 인센티브(incentive) 환경에도 불구하고 유럽은 태양광 발전기술 수요가 16.48GW로 가장 강력한 시장으로 남아있게 되었다. 이 수치는 지난해 글로벌 태양광 발전기술 수요의 60%를 차지하는 수치이다. 하지만, 2011년 글로벌 수요의 68% 이하이며, 2010년에 82%를 차지하는 수치이다. 태양광 발전기술 수요 측면에서 두 번째로 거대한 시장은 아시아(Asia)이다. 이 지역은 8.69GW 규모의 발전용량에 도달하였으며, 2012년 2분기 동안 중국의 태양광 발전시장 성장에 의해 촉진되었다.
미국의 태양광 발전기술 수요는 북미 지역(미국과 캐나다) 전역에 분할되어 있다. 그리고 라틴 아메리카(Latin America)와 지중해 지역에도 그 수요가 나뉘어져 있다. 미국은 2012년 글로벌 태양광 발전기술 수요의 13%를 차지하였으며, 그 수치는 3.68GW이다. 하지만, 미국 태양광 발전기술 수요에서 가장 큰 부분을 차지하는 지역은 캘리포니아(California)이다. 이 지역은 재생에너지 의무할당제와 리베이트(rebate)에 의해 촉진되었다. 실제, 캘리포니아는 2012년 미국 전역의 태양광 발전기술 수요 중 3분의 1을 차지하였다.
30GW보다 부족함에도 불구하고, 2012년 동안 발생한 태양광 발전기술 수요는 산업 내에서는 새로운 연간 기록을 경신하였다. 실제, 2012년 동안 더해진 29.0GW 규모의 수요는 2012년 말 설치된 태양광 발전용량 전체의 거의 30%를 차지하는 수준이다. 하지만, 2012년 29.0GW 수준의 수요는 업스트림(upstream) 제조업체들이 그 해 동안 기대했던 공급 수준과 직접적으로 비교될 것이다.
2012년 동안 균형이 맞추어져왔던 공급과 수요를 위해 최종시장 수요는 45GW 수준에 도달할 것이다. 이는 2012년 실제 태양광 발전기술 수요보다 50% 정도 높은 수준이다. 그리고 오늘날 태양광 발전산업을 특징지을 수 있는 수요탄력성 부족을 반영하고 있다. 뿐만 아니라, 이는 2012년 시장점유율을 획득한 기업들이 아직 그들의 엄청난 운영손실을 기록하지 못한 이유를 설명할 수 있다.
NPD Solarbuzz는 태양광 발전산업이 2013년 동안 급격한 글로벌화를 경험하게 될 것임을 예측하고 있다. 그 결과, 라틴 아메리카, 중동 및 아프리카, 그리고 신흥 아시아 시장 등을 포함한 새로운 지역에서의 성장을 혼합하게 될 것이다. 하지만, 아직 불확실성은 많은 지역에서 존재하고 있으며, 이는 재생에너지 채택 비율과 2013년 태양광 발전기술이 얼마나 추가될 것인지에 영향을 주게 될 것이다.
신흥 지역의 역할은 2013년 동안 태양광 발전산업 공급 및 수요에 중요한 영향을 주게 될 것이다. 그리고 얼마나 빠르게 태양광 발전산업이 30GW 이상의 연간 성장률을 기록할 것인지를 알려주는 선도적인 척도를 제안하게 될 것이다. GTB

저비용과 고효율성을 달성시킬 수 있는 집광형 태양광 발전기술
집광형 태양광 전지 및 모듈(module) 기술에 있어서 현재 두 곳의 기록보유자들은 결합(통합) 노력이 성능을 향상시키고 비용을 절약시킬 수 있을 것이라고 희망하고 있다. 결국 집광형 태양광 발전기술은 다른 태양에너지 발전기술 대비 낮은 균등화 전력비용을 달성할 것이다.
지난 10월, Solar Junction사는 최고 44%의 효율성을 가진 다중접합 태양전지를 개발하였다. Amonix사는 2012년 5월 집광형 태양광 모듈 시장에 있어 최고의 위치를 차지하고자 준비를 하고 있다. 그들은 33.5%의 효율성을 달성하였으며, Spectrolab에서 공급하고 있는 40% 효율성을 가진 전지를 사용하고 있다.
두 가지를 함께 잡는 것은 최종 에너지 효율성을 좀 더 높게 만들어줄 것이라고 그들은 믿고 있다. 이는 시간이 지남에 따라 전체 시스템 비용을 감소하는데 매우 중요한 요인이다. 그리고 그것은 다른 태양광 발전기술과는 다른 아니 그 이상의 집광형 태양광 발전기술의 실제 셀링포인트(selling point)이다: 높은 선행투자 형태의 비용에도 불구하고 집광형 태양광 발전기술은 수명주기 이상의 낮은 균등화 전력비용으로 구성되어 있다.
이러한 새로운 협정(계약)은 관련 기업들로 하여금 공식적으로 그들의 과정 IP 각본을 열게 해줄 것이며, 그들의 결합된 기술이 달성할 수 있는 에너지 효율성이 어느 정도인지 그리고 그러한 정제 작용들이 어디에서 구성될 수 있는지를 결정하게 만들어준다. 집광형 태양광 발전기술 대부분이 매우 잘 극대화되었다고 Amonix사의 최고경영자인 Pat McCullough 회장은 설명하였다: 전지/모듈 건축, 열확산, 트랙킹 시스템(tracking system), 그리고 일반적 기하학. 좀 더 구체적으로 그는 “우리는 이것이 전지를 만들고 조정할 수 있는 과정과 방법을 관리하고 있다고 생각한다. 그리고 아마 집광형 태양광 전지의 능력을 좀 더 완벽하게 활용할 수 있는 광학적 요인을 최적화하게 할 것”이라고 말했다.
Amonix사 역시 Solar Junction사가 목표로 하고 있는 햇빛의 집중도가 같은 수준 (이는 900-1000x를 사용하고 있음) 이라는 것을 선호하고 있다. 이는 그들이 믿고 있는 것이며, 최적 수준의 균등화 비용, 효율성, 그리고 장기적인 신뢰성이라고 McCullough 회장은 말하였다. 높은 수준의 밀도(2000x 이상)는 비용효과적인 것은 아니다. 그리고 낮은 수준의 밀도는 표면 면적당 충분한 효율성을 달성하지 못하고 있다.
집광형 태양광 발전설비 설치 분야에 있어 현재 선도적인 위치에 있는 집광형 태양광 발전기술 선도기업인 Amonix사는 모든 전지 기업들의 개발을 촉진하는 의무와 최상의 것들과 함께 업무를 할 수 있는 의무를 느끼고 있다. 강건한 전지 산업은 집광형 태양광 전지 제공업체들 사이에 효율적인 군비 확장 경쟁을 육성하게 될 것이다. 이는 효율성 전쟁을 촉진하게 될 것이며, 전반적인 집광형 태양광 발전시스템 건설을 위한 경제성과 가격을 개선시킬 수 있게 될 것이다.
일부 작은 이익들은 재료, 광학, 또는 규모의 경제 및 안정화 과정이라는 측면에서 만들어질 수 있다. 하지만, 실제 이익은 변환효율성을 지속적으로 향상시킴으로써 달성될 수 있다. 집광형 태양광 발전기술은 다른 태양광 발전기술보다 더 많은 헤드룸(headroom: 머리와 천장사이의 공간)을 가지고 있는 곳이다. 높은 변환효율성은 주어진 표면 영역에서 많은 산출량을 낳을 수 있음을 의미한다. 그리고 모듈에서부터 트랙킹 시스템 그리고 운영 및 유지보수까지 거의 모든 것의 비용을 감소시킬 수 있음을 의미한다. 집광형 태양광 모듈 효율성을 2017년까지 30%에서 35%까지 단계적으로 상승시키는 것은 현재 1와트 당 2.95달러에서 1와트 당 2.29달러로 하락시켜줄 것이다. 다른 태양광 발전기술들은 현재 거의 비슷한 수준의 가격 또는 그 이하이다. 하지만, 실리콘이 세계 여러 지역에서 발견될만큼 충분히 접근성이 좋기 때문에 그러한 지역에 있는 국가에서는 가격을 하락시킬 수 있는 무언가를 얻을 필요가 없다. 왜냐하면, 재료 비용 자체가 낮기 때문이다. GTB