자가 세정 코팅, 태양 발전의 오염 문제를 해결하다.
태양광의 반사체나 태양전지 표면에 쌓이곤 하는 먼지와 모래는 반사율을 2주 안에 50% 가량 감소시킬 수 있다. 그러나 이러한 태양광 차단 오염물들은 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)의 연구자들이 개발한 ‘저비용 초소수성’ 코팅 덕분에 더 이상 문제가 아니다.
ORNL의 홈페이지에 의하면, 해당 연구소는 물, 점성 액체, 그리고 대부분의 고체 입자들이 스며들지 않게 하며, 에너지와 비용 면에서 더 효율적인 코팅을 만들어내고 있다. 현 수동 방식들은 세제와 탈이온수를 사용하여 태양전지의 표면을 청소한다. 하지만 이 새로운 코팅은 자연이 스스로 바람과 비로 그 역할을 할 수 있게 한다.
오염 문제에 대한 다른 해결책들과 달리, ORNL에서 만든 몇 백 나노미터 두께 이하의 코팅은 전형적인 칠하고 분무하는 방식으로 유기물과 입자들을 섞기 때문에 상대적으로 저비용이다.
ORNL의 에너지 및 수송과학 부서에 의한 개발은 미국 에너지부의 에너지 효율 및 재생 에너지 썬샷 태양열 발전 프로그램(Energy Efficiency and Renewable Energy SunShot Con-centrating Solar Power Program)의 후원을 받고 있다. ACB

그림. ORNL의 연구자들은 태양전지판의 오염문제를 해결할 새로운 코팅을 개발해냈다.

변환효율 5배
유기반도체 「펜타센」단결정화
京都工藝纖維大學의 堀田收 교수 등 연구팀은 영국 캠브리지 대학 케벤디슈 연구소의 리차드 플렌드 교수와 공동으로 유기반도체로 다환상(多環狀)의 펜타센을 단결정화하고, 종래의 약 4-5배의 효율을 올릴만한 에너지 변환을 이끌어내는데 성공했다. 독자적으로 개발한 물리기상성장(PVD)장치를 사용하여 결정을 일정하게 하고, 최적화 등을 연구해왔다. 앞으로는 10년 이내의 실용화를 목표로 한다. 태양전지와 광전변환 디바이스의 고효율화로 이어질 것으로 전망할 수 있을 것 같다.
태양전지는 변환효율에 한계가 있어 종류를 불문하고 최대 3분의1 정도(약 33.7%)의 에너지밖에 끌어내지 못하는 현상이 있다. 태양전지의 구조는 p형과 n형의 유기반도체를 따로 만드는 「헤테로 접합형」이 알려져 있는데, 복잡한 나노미터 급에서 형성하기 때문에 조제과정이 복합해질 확률이 높았다.
堀田교수 등은 반도체층에서 이용되고, 탄소, 수소로 만들어지는 펜타센에 주목. 펜타센은 질서가 균형적이지 않는 「아모르파스 상태」에서 만들어지는 케이스가 많은데, 펜타센의 결정을 고르게 하고, 태양광의 여기자가 p형과 n형 반도체 사이에서 ‘장거리’를 움직일 수 있게 해서 광전변환에 유효한 범위를 넓힐 수 있는 방법을 고안했다.
연구팀은 독자적으로 개발한 PVD장치로 조사한 결과, 여기자가 움직이는 거리를 나타내는 확산장(擴散長)은 펜타센의 아모르파스 상태에 비해 단결정의 경우는 10배 규모가 되는 350나노-800나노미터 정도로 증대했다는 것을 확인했다. 태양전지의 변환효율은 최대 약 3분의 1인데, 실질적으로는 10% 정도밖에 에너지 변환이 되지 않는다. 확산장의 증대로 에너지 변환효율은 4-5배 정도의 증가를 전망할 수 있다고 한다. 일간공업

태양광 발전을 원격 관리
시스템 판매 확대 중규모를 조준
다이고에너지 패널채로 분석
다이고에너지재팬(橫浜市 港北區, 사장 汲川雅一)은 태양광 발전 시스템용 원격관리시스템을 일본 시장에 확대 판매한다. 태양광 패널 1장마다의 출력 상황을 분석하면서 그림자 등의 영향으로 일부 패널의 출력이 저하해도 다른 패널의 출력이 떨어지지 않도록 자동 제어할 수 있다. 출력 50킬로-100킬로와트 급의 중규모급 태양광 발전 시스템을 중심으로 제안한다. 지금까지는 메가솔라에 대한 채용이 중심이었다. 연간 2억 엔의 판매를 전망한다.
원격관리시스템은 패널마다의 출력을 계측하거나 전류를 조정하거나 하는 「맥시머 레이저」와 관리제어 유닛 등으로 구성한다. 일부 패널에 그림자가 생겼을 경우, 독자의 소프트웨어 기술로 스트링 전체의 전류값을 최적화하여 태양광 발전 시스템의 출력저하를 억제한 다. 패널마다의 출력상태를 상시 컴퓨터의 모니터 상으로 가시화할 수 있기 때문에 패널의 고장을 특정하기 쉽다. 출력 50킬로와트의 시스템의 기기만 200만 엔부터이다. 해외와 비교하여 일본에서 태양광발전 시스템의 원격관리는 패널 통째가 아닌 스트링 전체의 출력상태를 관리하는 시스템이 주류다.
이 회사는 지금까지 福岡縣과 熊本縣 등에 있는 메가솔라로 채용실적이 있다. 산업용 등 중규모 급의 태양광 발전 시스템용도 수요가 확대되어 개척의 여지가 있다는 점에서 판매 확대에 나설 것을 결정했다.
다이고에너지재팬은 미국 다이고에너지(캘리포니아주)의 일본 법인으로 이번에 일본 시장에서 판매 확대를 위해 사원을 늘렸다. 다이트엘렉트론 등 판매 대리점을 통해서 판매한다. 일간공업

태양전지의 최대 광포획 효율 달성
네덜란드 델프트 기술 대학(TU Delft)의 광전지 물질 및 디바이스 연구 그룹은 박막 반도체 물질에서 광흡수 향상의 이론적 한계를 시연하였다. 이는 차세대 고효율, 저비용의 극박막 결정질 실리콘 태양전지를 실현할 수 있는 새로운 방법이 될 수 있을 것으로 보인다. 이들 연구진은 결정질 실리콘 웨이퍼를 사용하여 실험적으로 반도체 물질에서 광흡수의 최대 향상을 예측한 이론을 검증하였다. 연구진은 광범위한 광 스펙트럼 영역에서 광흡수 향상의 이론적 한계에 매우 근접한 첫 실험을 성공적으로 수행하였다. 이들의 실험은 이론적 한계치의 99.8퍼센트에 매우 근접한 결과를 얻었다. 태양전지에서 이런 흡수 향상 한계를 실험적으로 시연한 것은 지난 30년 동안의 광전지 연구에서 처음으로 수행된 것이다.
네덜란드 델프트 기술 대학의 광전지 물질 및 디바이스 연구 그룹은 그 동안 태양 전지의 광포획 구조의 디자인, 제작 그리고 실험에서 전세계적으로 인정 받은 전문가들로 이루어졌다. 이 그룹의 연구진은 결정질 실리콘 웨이퍼를 위한 금속을 사용하지 않는 첨단 광포획 방법을 개발하고 있다. 이들 연구진은 실리콘 웨이퍼의 전면부에 블랙 실리콘으로 알려진 나노텍스처를 적용하였다.
반대쪽에, 이들 연구진은 최대 전방향 내부 반사를 보이도록 디자인된 포토닉 유전체 후면 반사기로 코팅된 랜덤 피라미드 모양의 텍스처를 제작하였다. 35 마이크로미터 보다 더 얇은 웨이퍼로 연구진은 포토닉 반사기로는 99% 그리고 은 후면 반사기로는 99.8%의 이론적 흡수 한계값에 도달하였다. 이런 고전적인 이론 흡수 한계치는 400나노미터와 1200나노미터 사이의 넓은 광스펙트럼 사이의 값이다.
결정질 실리콘 태양 전지에서 델프트 기술 대학의 광포획 방법의 성공적인 구현은 나노 텍스처 전면부의 적합한 표면 안정화(passivation)를 필요로 한다. 이를 위해서, 이들 연구진은 열적 실리콘 산화층 및 산화 알루미늄 안정층을 개발하였다. 뛰어난 표면 안정화 방법으로 이들 연구진의 태양 에너지 포획 기술은 매우 효율적이며 저렴한 극박막 결정질 차세대 실리콘 태양 전지를 실현할 수 있는 새로운 방법을 제공하여 줄 수 있을 것이다. GTB

그림. 네덜란드 델프트 기술 대학(TU Delft)의 광전지 물질 및 디바이스 연구 그룹은 결정질 실리콘 웨이퍼를 사용하여 실험적으로 반도체 물질에서 광흡수 향상의 이론적 한계를 시연하였다.

차세대 대형 축전지
住友電工, 미국에서 실증
올해 안에 수주 개시 재생 에너지에 조준
住友電氣工業은 2014년 내에 차세대형 축전지 「레독스플로(RF)전지」의 실증 설비를 미국 캘리포니아주에 마련하고 해외에서 수주 활동을 시작한다. 태양광 발전 등 재생가능 에너지의 도입을 추진하고 있는 캘리포니아주는 출력변동 조정용으로 현지 전력 회사 3사에 모두 1325메가와트의 전력저장 시스템의 채용을 요청했다. 이 회사는 이러한 움직임이 세계적으로 확대될 것으로 보고 우선 이 주에서 실적을 쌓을 계획이다. 축전설비를 사용한 출력변동조정이나 발전부족을 보충할 서포트를 담당하는 현지의 축전 서비스 회사와 손잡고 수주해 나간다.
미국 내 실증에 대한 자세한 내용은 파트너가 될 축전(蓄電) 서비스 회사와 앞으로 결정하겠지만 총 투자액은 10억 엔 규모로 보고, 공동출자가 될 전망이다. 캘리포니아주는 20년까지 재생가능 에너지의 발전 비율을 33%로 할 목표를 내세우고 안정 공급을 위해 전력 저장 시스템의 도입도 추진하고 있다.
住友電工은 RF전지에 대해 일본 내에서는 大阪市와 橫浜市에 있는 이 회사 사업소에 각각 10억~15억 엔을 투자하여 실증실험을 진행하고 있다. 北海道電力의 변환소에서 실증을 위한 총액 200억 엔 규모의 프로젝트도 결정했다.
大阪市 사업소에서는 이와는 별도로 20억-30억 엔을 투자한 RF전지자동생산 라인의 구축이 2013년 12월에 완성되어 본격 양산에 들어갔다. 제1호기는 北海道電力을 위한 것이 된다. 전력회사나 태양광발전사업자 등으로부터 문의가 늘고 있다고 한다.
RF전지는 실용화에 선행되는 리튬이온 2차 전지와 달리 충방전에 의한 전극이나 전해액의 열화가 거의 없어 수명이 길다. 대용량, 대출력에 적합하다. 일간공업

미국 썬파워, 일본에서 매전(賣電)
100만㎾ 규모 메가솔라 건설
미국의 대형 태양전지 기업 썬파워는 일본에서 매전사업에 참여한다. 이 회사의 세계 최고 효율 패널을 사용한 대규모 태양광 발전소(메가솔라)를 건설, 발전한 전력을 판매한다. 100만 킬로와트 규모의 보유를 검토하고 있으며, 제1호 메가솔라는 2015년 착공을 목표로 하고 있다. 일본에 진출해 있는 해외 태양광 패널 메이커가 차례로 메가솔라 사업에 참여. 패널 판매의 사업형태에서 탈피를 추진하고 있다.
썬파워는 건설지에 가까운 지역 기업 등과 공동출자회사를 만들어서 메가솔라를 건설, 소유하고 매전사업을 전개해 나갈 계획이다. 이미 미국에서는 출력 57만 킬로와트 분량의 메가솔라 건설을 시작하는 등 해외에서 발전 사업이 성장하고 있다. 사업자금의 획득에 있어서도 해외의 경험을 살린다.
썬파워는 빛을 전력으로 바꾸는 변환효율에 있어 세계 최고인 태양전지 셀을 양산한다. 일본에서는 주택용 패널을 東芝에 공급하고 있고, 2013년부터는 산업용의 본격 시판도 개시하였다. 유라스에너지홀딩스(東京都 港區)가 靑森縣에 건설할 일본 최대 메가솔라에 패널을 공급한다. 이 회사에게 일본은 미국에 이은 공급 시장이 되고 있다.
외국 세력으로서는 대한민국의 최대 기업인 한화 Q셀즈가 大分縣 杵築市에 출력 2만 킬로와트의 메가솔라를 건설하고, 올 가을부터 매전을 시작할 계획이다. 한편, 세계 최대인 캐나디언 솔라(오타린주)는 자사에서 건설한 메가솔라를 발전사업자에게 매각하는 사업을 일본에서 시작한다. 올해 안에 건설에 착수한다.
미국 최대 기업 퍼스트 솔라는 일본에서의 메가솔라 건설 자금으로 1억 달러를 준비했다. 중국 기업 산하인 썬텍파워재팬이 수만 킬로와트의 메가솔라 보유를 계획. 전원 확보가 과제의 새 전력(PPS)에 대한 매전도 상정한다.
재생 가능 에너지에 의한 전력의 고정가격 매입제도(FIT)의 활용으로 매전사업을 안정적인 수입을 전망할 수 있다. 가격 하락이 이어지는 패널과 달리 가격 경쟁도 회피할 수 있다. 해외 대기업은 대량생산으로 패널 가격을 낮추는 경쟁에서 메가솔라 사업으로 변모하고 있다. 캐나디언 솔라는 이익의 반을 메가솔라의 매각으로 올린다. 일본 측 기업으로는 샤프와 교세라가 매전사업을 시작했다. 일간공업

그림. 썬파워의 고효율 패널

페로브스카이트 구조의 광기전 재료,
새로운 태양전지 생산의 열쇠
캘리포니아대학교 로스앤젤레스캠퍼스(University of California, Los Angeles, UCLA)의 공학자들은 혁신적인 ‘고효율’ 태양전지의 생산에 광기전 재료를 사용하는 공정을 발견했다.
이러한 ‘페로브스카이트’ 재료들은 동명의 무기물들로부터 만들어지지 않으나, 빛을 전기로 바꾸게끔 그 결정 구조를 반영한다.
공학교수 Yang Yang이 이끄는 이 연구팀은 유기물(methyl ammonium halide)과 무기물(lead halide)의 다양한 성분으로 페로브스카이트 결정을 ‘두 전극 사이에 낀 박막’으로 만들 수 있었다. 결과는 현재 가능한 공정들보다 훨씬 효율적이고 경제적인 ‘증착 보조된’ 태양전지 생산 공정이었다.
UCLA의 보도 자료에 의하면, 이 공정은 기판을 무기성분으로 코팅하고 약 150도씨에서 유기분자 증기욕에서 처리하는 과정을 거친다. 유기물질은 무기물을 침투하여 습식 기술로 만들어진 박막보다 훨씬 균일하고 치밀한 페로브스카이트 박막을 형성한다.
시험에서 과학자들은 전력변환율이 12%를 넘는 태양전지를 만들 수 있었다. 이는 비정질 실리콘 전지들과 비슷하며, 연구팀은 더욱 개선된 성능을 위해 연구하고 있다. 또한 이들은 실험실에서 제조된 우표 크기의 전지들이 대규모 상업적 응용에 가능성을 보인다는 것에 주목한다.
Yang은 “페로브스카이트 전지는 오늘날의 가장 각광받는 태양전지 기술 중 하나이다.”라며, “지난 해 동안, 페로브스카이트 태양전지의 개선이 태양광을 전기로 바꾸는 효율은 여타 태양광 재료의 점증적 개선을 훨씬 앞서나갔다.”고 말했다.
Journal of The American Chemical Society지에 게재된 본 논문은 “Planar heterojunction perovskite solar cells via vapor-assisted solution process”이다. ACB

UCLA의 박사과정 연구자 Huanping Zhou(사진)이 “고효율” 태양전지의 생산에 광기전재료를 사용하는 새로운 공정을 개발하는 것을 도왔다.

양자점 태양전지
태양패널로 역할을 할 수 있는 가정용 창은 이탈리아 알라노-비코카 대학의 과학자와의 협동 연구를 한 미국 로스 알라모스 국립연구소 연구원들의 최근 양자점 연구로 인해 곧 개발될 것으로 예상된다. 그들의 프로젝트는 양자점의 우수한 광방출 특성이 태양광을 더 효과적으로 수확하는데 도움을 줌으로써 태양에너지 발정에 적용될 수 있다는 것을 보였다.
주요 발견은 차세대 특수 개선된 양자점들을 이용하는 대면적 발광 태양 집중기의 실현이라고 로스 알라모스에서 첨단태양광물리학센터(CASP)의 주임 연구원 빅토르 클리모프가 전했다.
양자점은 현대 콜로이드 화학 방법으로 거의 원자적인 정밀도로 합성할 수 있는 매우 작은 반도체 물질이다. 양자점의 방사 색깔은 크기를 단순하게 변화시킴으로써 조절 가능하다. 색깔 조절은 100 퍼센트에 접근하는 고방출 효율을 가지고 결합된다. 이 특성은 예를 들어 최근 킨들 파이어 e-리더에서 이용된 양자점 디스플레어인 새로운 기술의 기초가 되었다.
발광 태양집중기 (LSC)가 염료 분자들이나 양자점들과 같은 매우 효과적인 발광체들을 포함하는 투명 물질 평판의 광자 관리 소자이다. 이 평판 내 흡수된 태양광은 긴 파장에서 재방사되고 태양전지를 갖춘 평판 끝을 향해 안내된다.
LSC는 대면적으로부터 훨씬 더 작은 태양전지로 태양 방사를 집중하고 출력을 증가시키는 광수확 안테나로 역할을 한다. LSC는 효율증가와 함께 대면적 에너지 발전 유닛으로 집의 외관을 변형시킬 수 있는 광전 창과 같은 새롭게 흥미로운 개념을 세울 수 있게 해 줄 것이다.
매우 효율적이며 색 조절가능 발광과 용액 공정으로 인해 양자점은 저가이며 대면적인 LSC 내의 이용을 위한 매력적인 물질이다. 그러나 하나의 문제는 발생시키는 얼마간의 광을 재흡수하는 도트들로 인한 매우 큰 광손실을 주도하는 도트 내 방출과 흡수 밴드 사이의 겹침이다.
이 문제를 해결하기 위해 로스 알라모스와 UNIMIB 연구원들은 큰 스토크스 (Stokes) 이동으로 불리는 방출과 흡수 밴드 사이의 인공적으로 유도된 큰 분리를 가진 양자점을 기반한 LSC를 개발했다.
스토크스 이동의 조절된 양자점은 광흡수가 CdS의 매우 얇은 외부 껍질에 의해 결정되는 카드뮴 셀레니드/카드뮴 황화물 (CdSe/CdS) 구조들에서 보이는 반면, 방출은 더 좁은 갭을 가진 CdSe의 내부 코어로부터 발생한다. 서로 다른 두 나노구조 사이에서 광흡수와 광방출 기능의 분리는 재흡수로 손실을 매우 줄이는 흡수에 대한 방출의 큰 스펙트럼 이동을 유발한다.
이 개념을 조사하기 위해, 로스 알라모스 연구원들은 폴리메틸메타크릴레이트 (PMMA)의 수 십 센티미터 크기의 큰 슬랩 내로 양자점들을 포함한 두꺼운 껍질 CdSe/CdS 양자점 시리즈를 만들었다. 양자점 표준들에 의해 커졌지만, 액티브 입자들은 여전히 수 백 옹스트롬 직경으로 여전히 작다.
이 프로젝트 성공의 열쇠는 세포-캐스팅의 개선된 산업용 방법의 이용이었다고 UNIMIB 물리학과 교수인 프렌체스코 메인나르디 박사가 말했다.
분광기 측정은 수 십 센티미터 거리에서 재흡수로 인한 손실이 거의 없다는 것을 보여준다. 또한, 가상 태양 방사를 이용한 실험들은 광전 창으로 이용하는데 완벽하게 적합한 거의 투명한 샘플 내에서 흡수된 광자당 거의 10%의 매우 높은 광자 수확 효율을 얻을 수 있다는 것을 보였다.  GTB

그림 1. 자외선 조사 하에서의 양자점 LSC 소자

그림 2. 플라스틱 매트릭스 내 포함시키고 태양패널 효율을 개선하기 위해 태양광을 포획하는 방법을 보여주는 개략도.