새로운 패러다임의 태양전지 구축
솔라 패널(solar panel)의 경우, 가능한 많은 광자로부터 에너지를 수확하는 것은 필수적이다. 이런 목표를 위해, 화학자, 재료과학자 및 전자공학 연구자들이 태양광 발전 기기의 에너지 흡수 효율을 높이기 위해 노력하고 있으며, 현재 기존의 기술들은 물리법칙에 의한 한도에 근접하고 있다.
펜실베이니아 대학(University of Pennsylvania) 및 드렉셀 대학(Drexel University)의 연구팀은, 훨씬 저렴하고 제조가 용이하며 태양으로부터 에너지를 더 효율적으로 수확할 수 있는 새로운 패러다임의 태양전지를 실험적으로 선보였다.
현존하는 태양전지는 모두 기본적으로 동일한 방식으로 작동한다. 빛을 흡수하여 전자는 여기시켜 특정한 방향으로 흐르게 한다. 이 전자의 흐름이 전류이다. 그러나 이런 움직임의 일정한 방향성을 혹은 극성을 위해서, 태양전지는 두 가지 물질로 만들어져야 한다. 일단 여기된 전자가 두 물질 간의 계면을 통과하면 전류를 전도하게 되지만, 되돌아 올 수 없기 때문에 방향성을 갖게 된다.
빛을 비출 때 전자가 특정 방향으로 출발하지만, 물질 경계를 넘어가지 않는 물질이 존재한다. 이를 기존 태양전지에서 발생하는 계면효과와 구별하여 벌크 광기전력 효과(bulk photovoltaic effect)라 부른다. 이런 현상은 1970년대에 알려져 왔지만, 자외선 상에서만 구현되기 때문에 이런 방식으로 태양전지를 제조하지 못했다. 태양에너지의 대부분은 가시광선과 적외선 스펙트럼 영역에 존재한다.
가시광선 영역에서 벌크 광기전력 효과를 가지는 물질을 찾는 것은 태양전지 제조를 크게 단순화할 수 있는 기회를 제공해 줄 수 있다. 게다가 Shockley-Queisser limit로 알려진, 계면 태양전지가 가질 수밖에 없는 비효율성을 우회할 수 있도록 해 준다.
가시광선에서 벌크 광기전력 효과를 나타내는 알려진 물질이 없었기 때문에, 연구팀은 재료과학자들의 도움을 받아 그런 성질을 갖는 물질을 고안하고 그 성질을 측정하는 방안을 개발하고자 하였다. 5년 이상 이론연구를 통해, 이런 특성을 갖는 새로운 가상 물질의 성질을 예측하였다. 각 물질은 최종 물질에 벌크 광기전력 효과의 극성 측면을 가질 수 있도록 모체 물질로부터 출발하였다. 모체 물질은 물질의 밴드갭을 낮출 수 있는 성분을 서로 다른 비율로 함유하였다. 이 물질을 미세한 가루로 만들어 혼합한 후, 서로 반응할 때까지 오븐에서 가열하였다. 최종 결정체는 모체 물질의 구조를 가지지만, 두 번째 물질의 원소들이 핵심 위치에 자리하면서 가시광선을 흡수하도록 해 준다.
이 구조는 종종 페로브스카이트(perovskite) 결정이라고 불린다. 대부분의 빛 흡수 물질은 대칭적인 결정구조를 가지며, 원자들이 반복된 패턴을 가짐을 의미한다. 이런 특성은 물질을 비극성(non-polar)으로 만든다. 페로브스카이트 결정은 금속원자와 동일한 입방체 격자를 가지지만, 각 입방체의 내부는 팔면체 산소로 구성되며, 그 내부는 다시 다른 종류의 금속 원자가 위치한다. 이런 두 가지 금속 성분들 간의 상호작용은, 중심을 이탈하여 방향성을 갖도록 함으로써 극성을 갖도록 한다.
특수한 페로브스카이트 결정을 물리적으로 생산하는 시도가 몇 차례 실패를 거듭한 후에, 연구팀은 모체 극성물질로 칼륨니오베이트(potassium niobate)를 사용하고, 최종 물질의 밴드갭에 기여할 물질로 바륨니켈니오베이트(barium nickel niobate)를 사용하였다. 연구팀은 X선 결정분석법(X-ray crystallography) 및 라만 분산 분광법(Raman scattering spectroscopy)을 이용하여 실험적으로 생산한 결정의 구조와 결정성을 확인하였다. 또한 전환가능한 극성 및 밴드갭을 조사하였고, 가시광선에서 광기전력 효과를 갖는 물질임을 확인함으로써, Shockley-Queisser limit를 넘어설 수 있는 가능성을 보여주었다.
또한 바륨니켈니오베이트의 함량을 조절함으로써 최종 제품의 밴드갭을 조절할 수 있게 됨으로써, 계면 태양전지가 갖지 못한 또 다른 잠재적 이점을 제시해준다. 모체 물질의 밴드갭은 자외서 영역이지만, 10%의 바륨니켈니오베이트를 첨가하면 밴드갭을 가시광선 영역으로 이동시킬 수 있다.
계면 태양전지의 Shockley-Queisser limit에 의한 비효율성을 극복할 수 있는 또 다른 방법은, 서로 다른 밴드갭을 갖는 태양전지를 적층하는 것이다. 이런 다중접합 태양전지는 높은 밴드갭을 갖는 부분을 상층에 위치시켜 광자의 대부분을 포획하고 덜 중요한 광자는 통과하도록 한다. 연속된 층들은 점점 더 낮은 밴드갭을 가져 광자의 대부분의 에너지를 흡수하지만, 태양전지 제조의 복잡성과 원가상승의 원인을 제공한다.
본 연구에서 개발한 물질이 중요한 이유 중 하나는 효율적인 박막 태양전지 기술에서 사용되고 있는 반도체 물질과는 달리, 저렴하고 독성이 없으며 지구상에 풍부한 물질로 구성되어 있다는 점이라고 연구팀은 강조하였다. GTB

열방사를 활용한 태양전지
태양으로부터 나오는 열방사는 대부분 실리콘 태양 전지에서 크게 손실된다. 그러나 업-컨버터(Up-converters)는 적외선 방사를 사용 가능한 빛으로 전환할 수 있다. 연구진은 최초로 전력 생산을 위한 이러한 방편을 성공적으로 적용할 수 있었다. 눈에 보이는 것보다 더 많은 태양 방사가 있다. 햇볕에 의한 화상은 보이지 않는 UV 방사로부터 나타난다. 우리가 비록 볼 수는 없지만, 우리는 적외선 방사를 피부에 열로 느낀다. 태양 전지 또한 오직 태양 방사 일부만을 받아들인다. 태양 스펙트럼에 담긴 에너지의 약 20%는 실리콘으로 이루어진 전지에서 사용할 수 없다. 실리콘 전지는 전력을 생성하는데 있어서, 짧은 파장의 적외선 방사를 활용할 수 없다.
프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소와 프라이부르크의 ISE 연구진은 스위스 베른 대학, 그리고 스코틀랜드 에딘버러의 헤리엇-와트 대학과 공동으로, 업-컨버터를 이용하여 이 적외선 방사 일부를 사용 가능한 빛으로 만드는데 성공했다. 적외선을 사용 가능한 빛으로 전환하는 이 기술은 1960년대 이후 알려져왔다. 그러나 오직 1996년 이후에야 태양 전지와 연계하여 연구가 이루어졌다. “우리는 태양 전지와 업-컨버터 모두를 적용함으로써, 지금까지 최대의 효율성을 향상시킬 수 있었다”고 ISE의 과학자인 Stefan Fischer가 말했다. 이 기술의 잠재력은 매우 크다. 실리콘 전지는 이론적으로 태양 전지에 비춰지는 햇빛의 약 30%를 전력으로 전환할 수 있다. 그러나 업-컨버터는 이 수준을 40%까지 끌어올릴 수 있다.
그러나 업-컨버터가 어떻게 태양 전지를 위한 적외선 방사를 활용할 수 있을까? 태양 방사가 태양 전지에 떨어질 때, 그것들은 가시광선과 근적외선 빛을 흡수한다. 이 적외선 부분은 흡수되지는 않지만, 그들을 뚫고 지나간다. 방사가 부딪치는 업-컨버터의 뒷면은 기본적으로 폴리머에 포함된 나트륨 불화 이트륨(sodium yttrium fluoride)이라는 미정질 분말로 이루어져 있다. 이트륨 일부는 과학자들에 의해 에르븀 원소로 대체되었는데, 이것은 광학 범위에서 활성화하며, 업-컨버전을 담당하고 있다.
빛이 이 업-컨버터에 비치면, 그것은 에르븀 이온을 자극한다. 즉, 그것들은 더 높은 에너지 상태로 오르게 된다. 사다리를 올라갈 때의 반응을 상상해보자. 이온 내의 전자는 사다리의 첫 번째 단계를 올라가기 위하여, 빛 입자 에너지를 사용한다. 두 번째 빛 입자는 전자가 그다음 단계로 오를 수 있게 해주며, 이러한 반복은 계속된다. 이러한 방식으로 여기된 이온은 가장 높은 단계나 상태로부터 떨어질 수 있다. 그렇게 함으로써, 그것은 전자가 꼭대기까지 오를 수 있도록 도와준 모든 빛 입자와 동일한 에너지를 가진 빛을 방출한다. 업-컨버터는 말하자면, 이러한 여러 입자의 에너지를 수집하여, 그것을 한 곳에 전송한다. 그렇게 모인 많은 에너지를 태양 전지는 활용하는 것이다.
연구진은 업-컨버터를 사용하기 위해서는 이를 태양 전지에 적용해야 한다. 보통, 금속은 그 뒷면이 증착되어 있어서, 전류가 태양 전지 밖으로 흐를 수 있도록 한다. 이에 어떠한 빛도 일반적으로 그 빛을 발할 수 없다. “우리는 태양 전지 앞면과 뒷면에 금속 격자를 장착하여 적외선 빛이 태양 전지를 지나갈 수 있게끔 하였다. 또한, 이 빛은 전지의 양면에 의해 사용될 수 있다. 우리는 이를 양면 태양 전지라고 부른다”고 Fischer가 설명했다. 과학자들은 특수한 무반사 코팅을 태양 전지의 앞부분과 뒷면에 설치했다. 이것은 표면에서의 반사를 상쇄하여, 전지가 가능한 많은 빛을 흡수하도록 한다. 태양 전지의 뒷면에 무반사 코팅을 입힌 것은 이번이 처음이다. 이것은 모듈의 효율성을 향상시켜, 그들의 에너지 수율을 올릴 수 있다. 우리의 양면 태양 전지를 구현하기 위한 산업체가 이미 그 작업을 진행하고 있다”고 그는 말했다. GTB

일본, 태양전지의 ‘리사이클’ 기술 동향
- 태양전지는 ‘재생’할 수 있는가? -
무한의 태양 에너지를 이용 가능한 태양광 발전 시스템이 있지만 발전 시스템 자체는 유한의 수명을 가지고 있는 부재로 구성되어 있다. 향후 오래된 발전 시스템을 폐기할 때가 반드시 온다. 전 세계에서는 누적으로 이미 100GW 이상이 도입되고 있어 이 정도 대량의 태양전지를 폐기하려면 상당한 에너지(전력)가 필요하게 될 예상이다.
일본 신에너지 산업기술 종합 개발 기구(NEDO)가 미즈호(Mizuho) 정보 총연에 위탁하여 2007~2008년에 실시된 ‘태양광 발전 시스템의 라이프 사이클 평가에 관한 조사 연구’ 성과 보고서에서 가정용 태양광 발전 시스템을 폐기하면 어느 정도 기간의 발전량이 필요한지를 알 수 있다.
성과 보고서의 ‘3.5 태양광 발전 시스템의 에너지 소비량과 CO2 배출량에 관한 평가 결과’가 해당 부분이다. 여기에서는 실리콘(Si)계 태양전지를 포함한 다섯 가지 종류의 태양전지에 대해 에너지의 수지를 평가하고 있다. 결정 Si, 단결정 Si, 아몰퍼스(amorphous) Si /단결정 Si 이질 접합(HIT 태양전지), 박막 Si 하이브리드, CIS계가 대상이 되고 있다.
일본 국내의 태양전지의 과반수는 다결정 Si를 이용하고 있다. 주택용의 표준적이라고 할 수 있는 예로서 출력 3.9 kW(모듈 변환 효율 13.9%)의 시스템을 평가하면 이 시스템을 1년간 운전하면 3,863 kWh의 전력을 얻을 수 있다. 이 시스템을 원료로부터 제조하여 파기하기까지 에너지를 소비하는 과정은 다섯 가지로, 모듈 제조, 주변기기(BOS) 제조, 제품 수송, 교환 부품 공급, 사용 후 처리이다.
다섯 가지의 과정을 합계하면 86,395 MJ의 에너지를 사용한다. 그러나 사용 후 처리(폐기)에 필요한 것은 불과 233 MJ이다. 8만 6395 MJ의 에너지를 발전으로 조달하면 약 2.2년분에 상당하기 때문에 폐기에 필요한 에너지는 0.006년분이다.
그리고 연구 보고서에는 태양광 발전 시스템을 폐기하지 않고 리사이클할 경우의 평가도 기록되고 있다. 산업 레벨의 리사이클을 실현할 수 없을 단계에서는 효과가 적다. 그러나 노후한 태양전지의 부재 가운데 이용할 수 있는 부분을 새로운 태양전지에 사용하면 에너지 소비량이 7,282 MJ로 줄어든다. 그 이유는 가장 비중이 높은 모듈 제조 공정의 소비 에너지를 삭감할 수 있기 때문이다. 이 경우 2.02년에 ‘다섯 가지의 과정 + 리사이클’의 에너지를 회수할 수 있다.
대규모 리사이클 처리가 가능하게 된 시점에서는 전혀 리사이클을 하지 않을 때와 비교하여 소비 에너지가 2만 3,810 MJ도 줄어든다. 이로 인해 전체 에너지 회수에 필요한 기간은 1.65년으로 짧아진다.
이러한 결과로부터 얻을 수 있는 것은 태양광 발전 시스템을 폐기하는 것보다도 리사이클하는 것이 분명하게 이득이라는 점이다. 신규로 제조했을 때에 필요한 에너지의 30%를 리사이클로 절약할 수 있는 효과는 크다는 것이다. GTB

경제적인 실리콘 대체 태양전지 개발을 위한 노력
전세계 기후변화(Climate Change)에 따른 위협과 CO2 배출 증가로 인해 재생가능 에너지(Renewable Energy) 기술의 필요성은 좀 더 증대되고 있다. 그러나 지금보다 더 널리 시장에 보급되기 위해서는 경제적이면서 대량생산에 적합하고, 쉽게 실시할 수 있는 새로운 기술이 필요하다. 궁극적으로는 온실가스 배출(Greenhouse Emission)을 최소화하면서 미래 경제성장 및 삶의 질에 나쁜 영향을 주지 않는 균형이 이루어져야 할 것이다.
유럽연합(EU)의 프로젝트인 SCALENANO(’Development and scale-up of nanostructured based materials and processes for low-cost high-efficiency chalcogenide-based photovoltaics’)는 기존 실리콘(Silicon) 태양전지 기술을 대체하는 고효율의 태양광발전(Photovoltaic, PV) 셀을 생산하는 것을 목표로 한다. 태양전지는 태양광과 같은 빛을 직접 전기로 변환하는 전기적 장치이다.
스페인 카탈로니아 에너지연구소(Catalonia Institute for Energy Research)의 Alejandro Perez-Rodriguez 교수는 이번 SCALENANO 프로젝트의 코디네이터를 담당하고 있다. 그는 연구진이 복잡하지 않으면서 저렴한 비용의 장비를 사용하는 화학공정(Chemical Process) 개발에 집중하고 있으며, 이는 대부분의 산업 기술과는 대조적이라고 밝혔다. 또한 그는 “박막 기반의 기술개발을 통해 제조 비용을 상당히 저감하면서 효율은 높은 태양전지를 제조할 수 있다”고 덧붙였다.
SCALENANO 프로젝트에서는 처리 및 공정 속도가 매우 우수한 대체 공정뿐만 아니라 나노구조화된 전구체의 전착(Dlectro-deposition)을 기반으로 하는 혁신적인 공정이 적용될 계획이다. 여기에는 새로운 나노입자 잉크 배합과 경제적인 증착 기술을 이용하는 프린팅 기술이 포함되어 있다.
Perez-Rodriguez 교수는 “연구진은 프로젝트의 목표를 달성하기 위해 나노구조화된 산화아연층(Zinc Oxide Layer)을 기반으로 하는 새로운 셀 구조 개념을 탐색하고 있다. 또한 새로운 제조 공정의 수율 및 신뢰성을 개선하기 위한 품질 평가 및 공정 모니터링 기술을 개발 중이다. 이들 기술들은 적절한 정보를 제공하는 비파괴 기술로서 실시간으로 제공될 수도 있다”고 설명한다.
42개월의 프로젝트 기간 중 18개월째를 맞이한 이번 프로젝트는 일부 흥미로운 결과를 보여주기도 하였다. 연구진은 매우 균일한 대면적 박막 칼코겐 흡수제(Chalcogenide Absorber) 합성을 위한 전착 공정의 규모 확장성을 실증하였다. 이들은 이미 중간 크기의 모듈을 생산하였으며, 이 모듈의 최대 효율은 15.4%인 것으로 나타났다.
그는 “연구진은 또한 태양전지 전구체 제조용 잉크에 사용되는 나노입자의 합성을 위해 신문 인쇄 과정처럼 빠르고 간단한 인쇄 공정을 확인하였다”고 말한다. 연구진은 화학적 용액성장(Chemical Bath Deposition)과 ESAVD(Electrostatically Spray Assisted Vapour Deposition) 공정에 대해서도 확인하였다. 이들 공정은 태양전지의 필수 부부인 투명전도막(Transparent Conductive Oxide, TCO) 층의 합성을 위해 활용되고 있다. SCALENANO 프로젝트는 유럽의 에너지믹스(Energy Mix)에 있어 재생가능 에너지원의 점유율을 높이고 태양전지 제조사의 경쟁력을 제고하는데 중요한 역할을 할 것이다.
Perez-Rodriguez 교수는 “경쟁력 있는 태양광발전 기술은 일반 시민들도 에너지 생산자가 될 수 있도록 도와주기 때문에 자가 전기 생산이 가능할 것이다. 이는 중앙화된 에너지 모델을 분산화하는데 많은 기여를 할 것으로 예상된다”고 말한다. SCALENANO 프로젝트는 EU로부터 7.5 백만 유로를 지원받았으며, 2015년 7월 완료될 계획이다. GTB

태양전지 생산 경비를 23.5% 줄일 수 있는 블랙 실리콘 기술
블랙 실리콘 기술은 실리콘 태양전지 생산 가격을 23.5%까지 줄일 수 있다는 독립적인 연구결과가 발표되었다. 이러한 경비 절약은 실리콘 웨이퍼가 블랙 실리콘 태양전지 내로 공정이 진행되는 생산 공정의 효율화에 의해 가능하다. 태양전지를 만들기 위해서 제조업체들은 일반적으로 실리콘 웨이퍼를 외부 자원으로부터 얻는다. 이들 웨이퍼들은 큰 잉곳 덩어리에서 잘려 나오기 때문에 대개는 톱에 의한 손상이 생기며 따라서 이 부위는 제거되어야만 한다. 기존의 태양전지를 만들기 위해 제조업체들은 톱에 의해 생긴 부위를 먼저 없애고 웨이퍼 표면을 조직화시킨 후에 반사가 되지 않게 코팅을 하게 된다.
Natcore의 독점적인 공정을 사용하여 블랙 실리콘 전지를 만들기 위해 제조업체들은 직조물 식각을 자체적으로 매우 효율적인 무반사 코팅을 만드는 블랙 실리콘 시각으로 대체할 수 있을 것이다. 이에 의해 태양전지 공정에서 가장 경비가 많이 드는 부분-질화 실리콘 무반사 코팅의 고온 화학증착과 관련된 장비와 재료 가격-이 완전히 제거된다. Natcore는 최고의 블랙 실리콘 연구시설의 전문가들에게 이들 단계들을 생략하면서 인지되는 경비 절감을 정량적으로 알려줄 것을 요청하였다. 분석가들은 “보텀-업(bottom up)” 제조공정 경비 추정 방법을 사용하여 기존 실리콘 태양전지가 와트당 17센트라고 생산경비를 계산하였다. 이와 비교하여 블랙 실리콘 공정을 사용하여 만들어진 태양전지는 와트당 약 13센트가 될 것으로 예측되었다.
이 결과에 의해 블랙 실리콘 공정을 사용하면 기존 태양전지 제조와 비교하여 와트당 3~4센트 정도를 절약할 수 있기 때문에 생산 경비는 23.5%까지 절약될 수 있다. “태양광 회사들이 1센트라도 공정 경비를 줄이기 위해 애를 쓰고 있기 때문에 와트당 3~4센트는 매우 중요한 것”이라고 Natcore의 설립자이며 주요 기술책임자인 Dennis Flood 박사는 말한다. 우수한 경비 절약과 함께 단결정 실리콘을 사용하여 행한 시험에 의하면 블랙 실리콘 태양전지는 중요한 환경적인 혜택도 있는 것으로 나타났다. 이는 공기 중에 노출되면 연소되는 매우 유독한 가스인 실란의 사용을 필요 없게 해준다. Natcore는 나중에 다결정 실리콘을 사용하여 같은 실험을 할 계획을 가지고 있다.
“우리는 경비 절약이 있을 것을 알고 있으며 이 경비 절감이 매우 크다는 것에 놀라고 있다. 사실 이러한 규모의 생산 경비 절약은 블랙 실리콘의 어떤 다른 단점도 가리게 하여 Natcore의 블랙 실리콘 태양전지 기술은 세계의 태양전지 제조업체들이 해야만 하는 기술이 되게 해준다. 이 기술을 보다 가망이 있게 하기 위해서 GTM 리서치의 태양 분석가인 Shyam Mehta가 최근의 발표한 기사(‘Technology not materials to drive down Chinese solar costs,’ August 2013)는 중국 제조업체들이 내년에 약 1센트 가격을 내릴 수 있을 것이라고 예측한다. 우리는 한번에 4센트를 낮출 수 있다. 이러한 태양전지 제조기술에 매우 낙관적으로 우리는 이 기술을 판매할 계획을 시작하였다”고 Natcore의 회장이며 최고경영자인 Chuck Provini는 말한다.
“태양전지의 전체 가격은 실리콘 웨이퍼 비용과 웨이퍼를 작동하는 태영전지로 만드는데 필요한 제조공정 단계 비용 두 부분의 합계이다. 태양전지 제조업체들은 그들이 구매하는 실리콘 웨이퍼의 가격에 대해 조절하지 못한다. 결과로서 제조업체들은 항상 그들이 생산 경비를 조절하기 위한 방법들을 찾고 있지만 매우 중요한 절차로서 경비 절감은 어떠한 방법으로도 전지의 성능 저하와 연계되어서는 안된다. 블랙 실리콘 공정 기술은 산업체의 요구에 맞거나 초과하는 태양전지를 만들 수 있게 해주며 동시에 최종 태양전지 제품의 가격을 낮출 수 있게 해준다. 이 기술은 쉽게 기존의 태양전지 생산라인에 개선되어 통합될 수 있으며 새로운 라인으로도 쉽게 통합될 수 있다. 블랙 실리콘은 산업체의 기준이 될 수 있을 것 같다”고 Flood는 말한다. GTB

새 구조 CIGS 태양전지 변환효율 20.7%
액상 도핑법 활용 p.n층 동일 재료로 東芝가 개발
東芝는 새 구조의 CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀렌) 태양전지를 개발, 이 전지로 세계 최고의 변환효율인 20.4%에 필적하는 성능을 실현했다. 지금까지 태양전지의 셀 구조는 p층과 n층을 각기 다른 재료로 만드는 헤테로 접합형이었다. 이번에 같은 재료를 사용하는 호모접합형으로 제작하여 자사 평가로 20.7%의 효율을 확인했다. 2년 후를 기점으로 기존의 단결정 실리콘 태양전지의 최고 레벨인 25%까지 효율을 끌어올리는 것이 목표이다.
개발한 CIGS태양전지는 p층과 n을 모두 구리, 인듐, 갈륨, 셀렌의 CIGS재료로 만든 호모 접합형 셀 구조를 갖는다. p층과 n층을 동일한 재료로 만들면 pn접합 계면에서 결함이 잘 생기지 않아 고효율화의 열쇠가 될 것이라고 알려져 있었지만 지금까지 CIGS의 n형화가 어려웠다. 그래서 지금까지는 n층에 산화아연, 황화카드뮴, 황화인듐 등을 적층한 헤테로 접합형을 취하고 있었다.
東芝는 독자 개발한 액상 도핑법을 사용하여 n형의 CIGS층을 만드는 방법을 고안했다. p층의 CIGS 박막을 성막한 유리 기판을 n형의 불순물을 녹인 액체에 담가, 불순물을 박막 표면에서 내부로 확산시켜서 n형 영역을 만든다.
용액에 담그는 것뿐인 간편한 방법으로 계면결함이 적은 고품질 pn접합을 제작하는데 성공하여 CIGS 태양전지에서 세계 최고수준의 효율을 달성했다. 앞으로 인듐과 갈륨의 조성을 바꾸는 등의 조정으로 더 효율을 높일 수 있을 것이다.
화합물 반도체를 사용하는 CIGS 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 두께가 100분의 1로 얇기 때문에 저가이면서 자원이 절약되는 디바이스로서 상용화가 진행되고 있다. 단, 실리콘제에 비해 효율이 낮다는 점이 과제였다. 새 구조의 CIGS 태양전지의 실현으로 실리콘제와 어깨를 나란히 하는 고효율의 차세대 태양전지 개발에 탄력이 붙었다. 일간공업

태양전지의 성능을 향상시키는 새로운 방법 개발
싱가포르 연구진은 나노재료를 이용해서 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
태양은 가장 유망한 청정 및 재생 가능한 에너지원이다. 태양에서 지구로 도달하는 한 시간 동안의 에너지는 인간이 1년 동안 소비하는 에너지와 거의 유사하다. 태양전지는 빛을 전류로 전환시킴으로써 태양 에너지를 포집할 수 있다. 그러나 이 장치가 기존의 에너지원과 경쟁하기 위해서는 상당한 효율 향상이 이루어져야 한다.

그림. 근적외선 적외선을 가시광선을 전환시키는 나노입자(녹색). 이것은 티타늄 산화물(청색) 골격 속으로 전자를 주입시킨다.

A*STAR 재료연구 및 공학 연구소(A*STAR Institute of Materials Research and Engineering), 싱가포르 국립대학(National University of Singapore), 난양 기술대학(Nanyang Technological University)의 연구진은 광-수확 물질로 흡수되는 인입 광선의 양을 증가시키기 위해서 나노구조를 사용하는 새로운 방법을 개발했다. 이 방법은 높은 효율을 가진 태양전지를 만드는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.
태양전지는 광자라고 불리는 광학적 에너지를 흡수하고, 그 후에 전자를 생성시키기 위해서 광자를 이용한다. 그러나 태양에서 방사되는 일부 광자 에너지는 너무나 작아서 이런 방법으로 전자를 생성할 수 없고, 결국 사라지게 된다. 이번 연구진은 업컨버전(upconversion)이라고 알려진 효과를 이용해서 이런 손실을 피해 갈 수 있는 방법을 개발했다. 이 프로세스에서 두 개의 저에너지 광자는 단일 고에너지 광자를 생성하기 위해서 결합된다. 이런 광자는 태양전지에 의해서 흡수될 수 있다.
이번 연구진의 장치는 균일하게 배열된 약 0.5마이크로미터의 공기 기공으로 채워진 티타늄 산화물 프레임으로 구성되었다. 티타늄 산화물 프레임은 역 오팔(inverse opal)이라고 불리는 구조를 가진다. 업컨버전 물질의 구체들은 지름이 약 30나노미터인데, 이것은 기공의 표면 위에 놓여졌다. 매우 작은 광 민감성 양자점은 이런 나노구체로 코팅된 셀렌화 카드뮴(cadmium selenide) 결정으로 만들어진다.
향상된 근적외선 수집 능력을 가진 헤테로-나노구조로 된 광양극은 광-전기화학적 전지를 개발하는데 사용되었다. TiO2 역 오팔 위에 양자점 광민감제와 업컨버전 나노입자를 코팅함으로써, 이 구조는 전하를 분리하기 위해서 업컨버전 나노입자의 직접 조사(照射)로 양자점을 여기시킨다. 전자는 지속적으로 전자를 전도하는 계면 때문에 최소한의 캐리어 손실을 가지면서 TiO2 속에 주입된다.  양자점은 인입 광선을 효율적으로 흡수하고, 이것을 전자로 전환시킨다. 그 후에 이런 전하는 티타늄 산화물 프레임으로 흘러 들어간다. 티타늄 산화물의 역 오팔은 지속적인 전자 전도 경로를 생성시키고, 업컨버전 나노입자와 양자점을 지지하기 위한 큰 계면 표면을 제공한다.
이번 연구진은 980나노미터의 파장을 가진 레이저 광을 조사(照射)함으로써 이 장치를 테스트했는데, 이런 파장의 광은 셀렌화 카드뮴 양자점에 의해서 일반적으로 흡수되지 않는다. 기대했던 대로, 그들은 업컨버전 나노구체가 없는 장치로 수행된 동일한 실험보다 훨씬 더 높은 전류를 생성하였다. 이번 연구진은 향상된 에너지 전달과 광 수집이 기존의 실리콘 태양전지을 대체할 수 있는 장점으로 작용할 것이라고 믿고 있다. 이 연구결과는 저널 Advanced Materials에 ‘Photon Upconversion in Hetero-nanostructured Photoanodes for Enhanced Near-Infrared Light Harvesting’이라는 제목으로 게재되었다. GTB

전압의 저하 원인
京大, 양자 도트로 해명
京都大學 化學硏究所의 大野垣健 준교수는 名古屋大學의 宇佐美德隆 교수와 공동으로 바도체 결정인 양자 도트를 이용하여 태양전지의 전압이 저하되는 원인을 밝혀냈다. 앞으로 전압 저하 억제에 대한 연구를 가속시켜 결정 실리콘 태양전지에 대한 적용과 고효율 양자 도트 태양전지의 실용화로 이어나갈 수 있으리라 기대된다.
大野垣 준교수 등은 결정 실리콘 태양전지에 도입할 재료로 게르마늄 양자도트를 선택하여 폭넓은 온도 범위에서 계통적으로 조사하였다. 그 결과, 전압의 저하로 이어지는 큰 전하의 손실을 일으키지 않고 태양전지에 도입할 수 있었다고 한다. 게르마늄의 재료 특성 상, 다른 재료에서 일어났던 전하의 ‘재결합’에 의한 손실을 억제할 수 있었기 때문이라고 보고 있다.
또한 전하가 광흡수로 여기되기 전에 양자 도트에서 빠져나와 원래의 전압을 유지할 수 없어 전하 손실이 일어난다는 것도 알았다고 한다. 일간공업

CIGS 서브 모듈
産總硏, 변환효율 18% 초월
産業技術總合硏究所의 柴田肇 첨단산업 프로세스/고효율화 팀장 등은 CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀렌) 태양전지 서브모듈에서 변환효율 18.34%의 고효율을 달성했다. 동종의 서브모듈에서 18%를 넘은 것은 처음. 집적화 기술을 향상하여 전기적, 광학적 손실을 줄였다. 연구팀에서는 보다 큰 면적이 서브모듈 개발 등을 실시, 태양전지의 고효율화, 고기능화를 추진할 방침이다.
CIGS태양전지는 얇은 광흡수층으로 충분한 광흡수를 얻을 수 있는데다가 기반으로 저렴한 글라스와 금속 박막을 이용할 수 있기 때문에 저가로 고효율의 차세대 태양전지로 기대되고 있다.
CIGS태양전지에서 일반적인 솔라를 석회 유리 기판을 기반으로 사용. 광흡수층에는 고성능 CIGS제 박막기술을 집약하여 표면의 홈이 적어 표면이 매끄러운 고품질의 흡수층을 제작했다. 전자현미경에 의한 단층분석에서는 4개의 태양전지 셀을 직렬로 접합한 집적구조를 갖는다는 것을 확인했다. 일간공업