유기 태양전지의 효율성을 향상시키는 소재 밸런스
미국 연구진은 유기 태양전지의 효율성 향상을 재료 구조적인 측면에서 접근한 새로운 연구결과를 발표했다.
노스캐롤라이나대학(North Carolina State University) 연구진은 저널 Advanced materials를 통해서 태양전지의 효율성을 증가시킬 수 있는 새로운 방법을 발표했다. 연구진은 태양전지 박막의 층간 물질의 도메인(영역)의 크기와 순도가 태양전지의 효율성에 큰 영향을 미친다는 사실을 발견했다. 연구진은 유기 태양전지의 성능 향상과 디자인 설계에 이번 연구가 매우 큰 도움이 될 것이라고 밝혔다.
폴리머를 기반으로 하는 태양전지는 두 도메인으로 크게 나뉠 수 있다. 전자 억셉터(수용기)와 전자 도너(공여체) 물질로 나누어진다. 광을 흡수한 태양전지에서 만들어지는 에너지 입자인 여기자(excitons)는 도너와 억셉터 구역의 경계를 따라 이동한다. 여기자로부터 분리된 전하는 소자의 전극으로 이동한다. 태양전지 효율은 이러한 전하의 이동 및 분리에 따라 큰 영향을 받게 된다.
실제 태양전지 내의 도메인은 이론과 같이 명확하게 분리되지 않은 상태로 존재한다. 이러한 도메인은 둘 또는 그 이상이 될 때가 많다. 연구진은 이번 연구를 통해서 복합한 다중 도메인 구조로 이루어진 태양전지의 효율성을 향상시키는 새로운 방법을 개발했다. 연구진은 태양전지의 복잡한 구조가 어떻게 그 성능과 효율성에 영향을 미치는지를 연구했다. 연구진은 최첨단 연 X선 기술을 이용하여 도메인이 혼합된 구조를 분석하여 도메인 구조에 따른 태양전지의 효율성을 평가할 수 있게 되었다.
“태양전지의 두 도메인 물질은 케이크에 바닐라와 초콜릿 영역이 나눠지는 것과 유사한 것”이라고 이번 연구진을 이끈 노스캐롤라이나대학 Harald Ade 교수는 설명했다. “두 영역이 만나는 경계면은 케이크 팬의 면적과 같다. 포크를 넣어서 휘저으면 바닐라와 케이크가 만나는 영역은 훨씬 넓어지면서 동시에 새로운 경계면이 생긴다. 태양전지에서는 경계면은 전하의 분리 능력을 증가시키는데 매우 중요한 역할을 할 수 있다”고 Ade 교수는 설명했다.
연구진은 두 영역을 계속해서 섞으면, 각각의 고유 물질의 영역은 사라지고 전체적으로 혼합된 영역이 균일하게 분포된다고 설명했다. 연구진은 이러한 혼합은 결국 태양전지에서 전하의 재결합 특성을 현저히 저하시키는 원인이 된다는 사실을 실험으로 입증하였다.
연구진은 이러한 원리를 실제 소자 구조 설계에 적용하였다. 연구진은 포크 모양의 회전체 크기의 종류를 달리하여 회전 움직임의 크기를 조절하였다. 이를 통해서 태양전지 도메인의 크기와 순도를 조절하였다. 이러한 도메인의 크기와 순도는 태양전지의 효율성에 직접적인 영향을 미친다는 사실이 실험결과로 나타났다. 이번 연구의 목표는 도메인의 크기와 순도의 복합한 트레이드오프 효과를 이해하고 이를 태양전지 설계에 적용하는데 있다고 연구진을 설명했다. 이번 연구 결과는 태양전지의 성능을 향상시키는데 도메인을 어떻게 설계해야 하는지를 보여주고 있다. 이 연구결과는 저널 Advanced materials에 “Quantification of Nano- and Mesoscale Phase Separation and Relation to Donor and Acceptor Quantum Efficiency, Jsc, and FF in Polymer:Fullerene Solar Cells”라는 제목으로 게재됐다. GTB

그림. 태양전지 내의 전자 도너와 억셉터 영역의 경계면은 태양전지의 효율성에 직접적으로 영향을 미친다.

이동이 가능한 전원 장치
히타치모노즈쿠리 産業活性化協議會가 개발
직류와 교류 동시 저장
태양광과 콘센트 올해 안에 양산화
히타치모노즈쿠리産業活性化協議會(茨城縣 日立市 회장 友部英一 大友製作所 사장)의 발광다이오드(LED) 조명 축전 그룹은 운반할 수 있는 상용(常用), 비상용(非常用) 전원장치 시작기를 개발했다. 태양광 패널의 직류 전력과 가정용 콘센트의 교류 전력을 제어하여 축전지에 동시에 저장하는 기술을 채용했다. 무정전 전원장치(UPS)도 내장. 2014년 여름을 기준으로 양산기를 개발한다. 올해 안에 투입하여 월 100대의 수주를 목표로 한다.
상용, 비사용 전원장치 「에코풀」의 시작기는 日立市 등에 사업 거점을 두고 중소기업 약 30개 사가 연대하여 개발했다. 중량은 약 19킬로그램이며, 사이즈는 세로 450밀리 ×가로 350밀리 ×두께 300밀리미터이다.
축전지의 최대 출력은 1200와트이며, 용량은 사양에 따라 변경할 수 있다. 캐스터 부착으로 LED, USB포트, 가정용 콘센트의 탭, 시가소켓을 표면에 장비했다. 가격은 1대 15만 - 30만 엔으로 설정할 예정이다.
성능실험에서는 32형 액정 텔레비전을 8시간 30분 시청하였고, 그 외에 전자레인지도 수십 회 사용할 수 있었다. 실험을 계속하여 양산을 위한 케이스의 형상 등을 재검토, 경량화할 계획이다. 지방자치단체나 인공투석설비가 있는 병원 등에 도입을 제안한다. 大友製作所는 백물가전용 부품 제조회사이다. LED 조명을 위한 신기술도 개발하고 있다. 일간공업

중간 밴드형 태양전지 실용화에 길
고밀도, 균일한 입경
양자 도트 제작
電氣通信大學의 山口浩一 교수 등은 전자를 극소공간에 가두는 도전성 결정의 「양자 도트」를 고밀도이며 균일한 크기로 제작하는 기술을 확립했다. 높은 출력이 필요한 전자디바이스를 적은 프로세스로 만들 수 있게 된다. 예를 들면 전력변환효율이 높아 실용화가 기대되고 있는 중간 밴드형 태양전지에 응용할 경우, 필요한 양자도트 층의 수를 종래의 20분의 1로 삭제할 수 있다. 앞으로는 디바이스화하여 성능을 평가해서 양자도트 태양전지에 응용할 계획이다.
갈륨비소를 기판으로 하고, 인듐과 비소와 안티몬을 함께 결정 성장시켜서 양자도트를 제작한다. 원료의 공급방법을 개량함으로써 밀도와 균일성을 높였다. 종래에 비해 20배의 밀도가 되는, 1평방센티미터 당 10의 2승(乘) 개의 양자 도트를 제작했다. 도트의 평균 입경은 대략 12나노미터이다.
중간 밴드형 태양전지에서 50%의 변환효율을 실현하려면 1평방센티미터 당 3×10의 3승 개 밀도의 양자 도트가 필요하다. 종래 기술로는 도트 층을 600층 겹칠 필요가 있었는데, 이번에 확립한 기술을 사용하면 30층으로 가능하다. 또 양자도트를 고밀도로 제작할 수 있게 되면 다른 고출력에 저소비전력인 전자 디바이스로 용도를 확대할 수 있다.
양자 도트는 직경이 수 나노 - 수십 나노미터의 결정으로, 가둔 전자의 성질 등을 제어한는 기술. 초소형, 고속, 저소비 전력인 차세대 일렉트로닉스로 응용을 전망하고 있으며, 용도로 양자 컴퓨터와 양자 도트 레이저 등이 제안되고 있다. 그 중에서도 양자도트를 이용하는 「중간 밴드형 태양전지」는 60%를 넘는 높은 변환효율을 실현할 수 있다고 보여져 실용화가 기대되고 있다.
단, 지금까지는 양자도트를 고밀도로 균일하게 제작하는 기술이 없어서 필요한 밀도로 만들려면 제작한 양자도트층을 적층하는 방법 밖에 없었다. 적층 기술이나 적층 가능한 양자도트 층의 수에는 한계가 있어 밀도 향상의 필요성이 고조되어 왔다. 일간공업

다층, 미세 태양전지의 초효율 전력 생산
일리노이스 대학 어바나 샴페인의 연구원들은 놀라운 수준의 광전 전환 효율을 위해 다층 구조로 작은 전지들을 조립하는 프린팅 공정을 이용했다.
에너지원으로서 태양은 항상 믿을 수 있는 원천이었다. 태양은 모든 물체 위로 자유롭게 비추지만, 태양의 풍부한 에너지를 포획하고 전환하는 성능은 결코 무료로 제공되는 것은 아니다. 그러나 공공 유틸리티 크기에서 전체 스펙트럼 구동을 이루려고 목표를 둔 새로운 기술은 태양에너지를 실행 가능한 선택으로 곧 만들 수 있을 것이다.
재료 과학과 소자 조립에서 수반된 수많은 단순 아이디어들은 많은 일반적인 광전 기술들의 한계들을 우회할 수 있게 해 줄 것이라고 이 개념들을 개발하고 있는 연구그룹의 리더인 존 로저스 박사가 말했다. 이 새로운 효율로 인해, 외부 산업 전문가들은 석탄, 천연 가스, 핵에 비해 더 낮은 수준으로 보조금 없이 도달시킬 수 있는 태양에너지 전기 발전 비용을 추진하고 있다.
일리노이스 대학 어바나샴페인의 재료공학 교수인 로저스 박사는 반도체 소자와 제조 기술의 개척자이다. 일리노이스 대학 로저스 박사와 그의 동료들이 개발하고 있는 프린팅 방법은 매우 높은 효율에서 전체 태양 스펙트럼에 걸쳐 구동할 수 있는 특별한 형태의 태양전지를 제조하기 위해 서로의 상부에 쌓을 수 있는 매우 얇고 작은 반도체 성분들을 이용할 수 있게 해 준다.
연구원들이 제시하는 전략은 얇고 미세크기 태양전지의 고속 프린트 기반 조작과 이 전지들을 다중 격층들로 결합하기 위한 새로운 계면 물질들을 포함하며 이 방법으로 만들 수 있는 4중 접합, 4 터미널 태양전지는 개별적으로 측정된 43.9 퍼센트의 측정 효율을 가진다고 로저스 박사가 말했다.
이는 95 퍼센트 이상 높은 생산성과 정확한 오버레이 적층으로 전체적으로 자동화된 반복 인화 모드에서 쌓인 다중 접합 전지 배열을 동시에 형성할 수 있는 고생산성 수평 조립 공정이다. 이 겹침을 위해 새로이 개발된 계면 물질은 이상적인 광학적, 전기적, 열적 특성들을 가능케 한다고 로저스 박사 연구 그룹 박사후 연구원이며 이 논문의 제1 저자인 씽 쉥 박사가 설명했다. 4중 접합 4 터미널 미세 태양 전지들의 프린팅 기반 조립은 매우 높은 효율의 모듈 실현을 가능케 하였고 이 내용은 네이처 머트리얼즈에 최근 게재되었다.
이 프로젝트에는 일리노이스 대학과 광전 회사들인 셈프리우스와 솔라 정션 연구원들의 협력팀이 포함되었다. 그룹의 논문에 따르면, 모듈의 상부 전지는 상부 대부분 층들로 광의 효율적인 투과를 위한 무반사 코팅과 3 접합 (3J) 마이크로 전지로 구성된다. 하부 전지는 확산된 접합 게르마늄 (Ge) 구조를 이용했다. 겹쳐진 3J/Ge 조립에서, 상부 3J 전지는 300 nm에서 1300 nm 사이의 파장들의 광을 포획한다. 1300 nm에서 1700 nm까지의 파장들은 특이 형태의 찰코겐 화합물 유리 박막 이용으로 최소 계면 반사들을 가지고 하부 Ge 전지로 보내진다.
연구원들은 천 배 이상으로 입사 태양광을 빽빽히 집중시키기 위해 성형된 주 렌즈와 이차 소형 볼 렌즈로 구성된 셈프리우스 이중 단계 광학계로 미세 다중접합 전지를 집적화했다고 로저스 박사가 말했다. 진보된 패키징 기술과 전기적인 일치 네트워크들은 다른 가용 기술에 비해 매우 높은 실용 조건 하에서 평가된 36.5퍼센트의 효율을 가진 전체적으로 집적화된 모듈들을 만들었다.
이는 매우 훌륭한 연구이며 그 결과는 인상적이며 그 구조들은 공공 유틸리티 크기 전력 생산을 위해 강력한 가능성을 가지고 매우 높은 효율 광전지로 향한 길을 제공할 수 있을 것이라고 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스에서 전자 공학 및 컴퓨터 과학 교수인 알리 자베이 박사가 말했다. 로렌스 버클리 국립 연구소에서 전자 재료를 위한 프로그램 리더이며 베이 에어리어 광전 소자 컨소시엄의 공동 소장인 그는 이 연구에 포함되지 않았다. GTB

그림 1. 이 사진은 프린트 기반 조립 과정이 높은 생산성과 정확한 오버레이 접층을 이용하여 전체적으로 자동화된 반복 인화 모드에서 쌓인 다중 접합 전지 배열들을 만드는 것을 보여준다.
그림 2. 쌓여진 3-접합/게르마늄 조립에서 상부 전지는 300 nm에서 1300 nm 사이의 파장들을 포획하고 1300 nm에서 1700 nm까지의 파장들을 하부 전지로 보내준다.
그림 3. 성형된 2 x 2 cm2 주 렌즈와 이차 2 mm 볼 렌즈로 구성된
2단계 광학계는 천 배 이상으로 입사 태양광을 집중한다.

노르웨이 REC
일본법인 4배로 증원
주택용 태양전지 패널 판매대리점 개척
유럽의 큰 태양전지 메이커인 리뉴어블 에너지 코포레이션(REC, 노르웨이)는 2014년, 일본 법인의 인원을 최대 현재 대비 4배인 20명으로 증원한다. 영업과 서비스를 확충하여 주택용으로 이 회사 제품의 패널을 판매하는 공무점(工務店, 하청업체)이나 대리점을 개척한다. 시공기술자의 독자인증제도도 마련하여 시공품질도 확보한다. 일본 시장을 위한 제품도 갖추고 안정성장을 기대할 수 있는 주택용 시장을 강화하여 올해는 일본에서 30만 킬로와트 이상의 판매를 목표로 한다.
일본법인 REC솔라재팬(東京都 渋谷區)이 증원한다. 2012년에 일본 시장에 참여한 후, 일본 메이커에 대한 OEM과 대, 중규모 산업용 발전소의 안전에 패널을 판매해 왔다. 2013년에는 일본에서 목표로 했던 25만 킬로와트 이상을 판매한 상황이다.
인원을 늘림으로써 지역 공무점이나 대리점에 대한 영업을 늘려서 품질을 이해하고 REC제 패널을 채용할 공무점 등을 개척해 나갈 것이다. 대형(臺形)등 복수 타입을 준비하여 주택의 지붕의 모양에 맞추어 패널을 조합시켜서 판매할 수 있도록 한다.
REC는 연간 80만 킬로와트 이상의 생산능력을 가진 세계 대기업의 하나. 일본 시장의 신장이 커서 올해부터 일본 법인을 유럽이나 미국과 맞먹는 거점으로 격상시켰다. 일본 시장에서의 사업 기반을 튼튼하게 하기 위해 장기적인 수요 확대를 전망할 수 있는 주택용을 강화한다. 재료에서 생산하는 품질면을 소구(訴求)하여 가격 경쟁과 일선을 긋는다. 일간공업

---이하 생략(자세한 내용은 세라믹코리아 2014년 6월호  또는 지난호보기 PDF파일을 참조바랍니다.)