태양광 발전 셀 변환효율 18.9% 달성
三菱電機는 실용 사이즈의 다결정형 태양광 발전 셀에서 최고의 광전기 변환효율 18.9%를 달성했다. 광발전 셀 원료의 결정 실리콘에서의 적외선 흡수량을 늘림으로써 변환효율을 종래의 동사 제품 셀의 18.6%에서 0.3포인트 높였다. 앞으로 양산기술을 확립하여 2010년도 이후에 생산 라인에 도입한다.
사방 150밀리미터의 광발전 셀로 실증했다. 기판 내부에 진입한 태양광 가운데 적외선은 약 50%가 흡수되지 않고 이면에 도달하는데 이면의 전극을 최소한으로 억제하고 광반사 구조를 채용하여 흡수량을 늘렸다. 적외선 이용 효율은 약 76%로 높아져 레이저 광원을 이용한 독자의 벌집구조(허니컴) 셀과 조합시킴으로써 변환효율을 높였다. 일간공업

탄소 나노튜브를 이용한 효율적인
태양 전지
기존의 실리콘 대신 탄소 나노튜브를 사용하여, 코넬대 연구팀은 지금까지 계산기나 지붕에 사용되는 것보다 효율적으로 전기 변환이 이루어질 것으로 기대되는 태양 전지의 기본 요소를 만들었다. 연구팀은 개개의 탄소 나노튜브 구성된 광다이오드라 불리는 간단한 태양전지를 만들고 실험했다.
9월 11일 사이언스지의 온라인판에 보고된 바로는 Goldwin Smith교수인 물리학과의 Paul McEuen, 화학 및 화학 생물학의 박지웅 교수가 이끄는 연구팀은 어떻게 그들의 장치가 흐르는 전류를 배가하며 매우 효율적인 과정으로 빛을 전기로 변환되는지를 기술하고 있다.
이 프로세스는 차세대 고효율 태양 전지에 대한 이 소자의 중요성을 증명할 수 있다고 연구진은 말했다. “우리는 단지 새로운 소재를 찾고 있었을 뿐만 아니라 그 소재를 통한 새로운 응용인 진정한 태양 전지 소자를 만들었다.”라고 McEuen의 연구실의 대학원생으로 논문의 제1저자인 Nathan Gabor이 말했다.
연구진은 graphene의 시트의 두루마리인 단일 벽 탄소 나노튜브를 사용하여 태양전지를 만들었다. DNA 분자 크기만 한 나노튜브는 양극과 음극의 전기 게이트와 가까운 두 전기 접점 사이에 연결되었다. 이 연구는 단일 벽 나노튜브를 사용하여 전류를 한 방향으로만 흐르는 수 있도록 한 간단한 다이오드를 만든 다른 과학자의 예전 연구에서 영감을 얻었다. 코넬 팀은 비슷한 소자에 빛을 쪼이면 무슨 일이 일어날지 궁금했다. 연구진은 나노튜브의 다른 부위에 다른 파장의 레이저 빛을 쪼이자 광자 에너지보다 더 높게, 전류가 생성되는 양만큼 배가 효과가 있다는 것을 발견했다.
계속된 연구는 탄소 좁은 원통형 구조 나노튜브가 전자를 하나하나씩 촘촘히 압박시킨다는 것을 밝혀냈다. 전자 나노튜브를 통해 흐르는 전자는 여기되었고, 새로운 전자가 흐름을 지속적으로 만들었습니다. 그들이 만든 나노튜브는 빛의 넓은 스펙트럼을 이용하여 전자가 더 많은 전자를 만들게 하기 때문에 이상적인 태양 전지가 될 수 있다. 이것은 일정한 외부 냉각을 요구하며 여분의 에너지를 열의 형태로 손실하는 오늘날의 태양 전지와는 다른 점이다. 비록 연구진이 태양전지소자를 만들었지만 저렴하고 신뢰성있는 태양전지로 만들어가는 것은 엔지니어에겐 큰 도전이라고 Gabor가 말했다. “우리가 관측한 것은 물리학적인 설명이다.”라고 그는 덧붙였다. GTB
태양열발전 고반사 거울
표면에 수 백층의 막
코니카미놀타 그룹은 태양열발전의 실용화에 필요한 고효율 반사경을 개발했다. 표면에 수 백층의 반사막을 두어 태양광의 반사율을 95% 이상으로 높였다. 태양광이 가진 열에너지의 대부분을 모음으로써 고효율의 발전을 가능케 한다. 카메라의 제조로 기른 반사막 기술을 응용, 성장이 전망되는 새 에너지 분야를 신규 사업으로 육성한다.
빔다운식 태양열 발전을 지상에 놓은 거우로가 높이 수십 미터의 타워에 매달아 부착한 거울을 사용하여 태양광을 모으고, 그 고열로 지상에 놓은 나트륨 등을 포함한 용액염에 열을 저장한다.
두 번째의 반사를 하는 부착된 거울에는 통상의 10-20배의 태양광이 집중한다. 반사율이 80-90%인 종래의 거울은 효율이 나쁘며 또한 반사하지 못하고 흡수한 태양광이 열이 되어 거울 자체가 녹아버리는 문제가 있었다.
코니카미놀타는 거울 표면에 산화실리콘과 산화티탄 등으로 만든 두께 몇 나노미터의 박막을 수 백층 겹쳐서 반사막을 제작. 반사율을 대폭 높일 수 있었다.
이러한 박막은 일부 파장의 빛의 반사각을 바꾸는 성질이 있어 복수를 조합시킴으로써 반사하는 파장의 빛을 늘려 반사율을 끌어올릴 수 있다.
태양열이라는 에너지는 가시광 뿐 아니라 반은 적외선을 포함하고 있기 때문에 적외선의 반사에 필요한 막도 설비한다. 태양광 전체를 반사하는 효율은 95%를 넘는다. 표면온도는 상승해도 섭씨 100도 정도에 그쳐 유리가 녹는 동 500도 이상은 되지 않는다고 한다.
이 막의 기술은 카메라 등의 렌즈가 특정한 파장의 빛만을 반사하지 않도록 할 목적으로 개발, 재품에 이용되어 왔다. 코니카미놀타는 3년 전에 카메라 사업을 접었는데 그 기술을 응용하여 성장이 전망되는 새 에너지 사업에 본격적으로 참여하는데 연결한 것이다.
빔다운식 태양열 발전은 東京工業大學이 기초기술을 개발했다. 종래의 태양열 발전에 비해 열을 모으는 기구가 간소하여 설치하기가 쉽다. 현재 코스모석유와 아부다비 정부계열 투자회사가 협력하여 아부다비 지역 내에 실증기를 만들고 있다. 장치의 전체 설계, 제조는 三井造船이 담당하고 있다.
▼태양열발전 : 태양광을 열로 바꾸어 발전하는 기술. 고가인 태양전지를 사용하는 태양광 발전은 발전 원가가 1킬로와트 시(時)간 당 40엔 가까운데 비해 스페인의 태양열 발전은 17엔 정도로 싸다는 특징이 있다.
반면, 빛을 모으기 위해 광대한 면적의 토지가 필요하다. 흐리거나 비가 적은 사막 등에서의 이용이 기대되고 있다. 일경산업

태양 에너지를 만들어내는 도로 건설
Solar Roadways는 금일 최초의 태양광 도로 패널의 원형이 될 것으로 예상되는 계약을 교통국과 체결했음을 발표했다.
Solar Roadways사는 태양광 패널을 석유 계열 아스팔트 표면 대신에 주차장 및 도로에 위치시킬 것을 택하였으며, 그 위를 차가 지나다니는 구조 공학적 태양광 패널을 통해 태양에너지를 집진하여 일터 및 가정에 동력을 제공하는 시스템을 개발해내었다.
태양광 도로 패널로 인해 도로에서 운전자들에게 알리는 임시 표지판 (예를 들면, “전방 우회” 등의)의 필요가 없어졌을 뿐만 아니라 더 안전한 야간 운전을 가능하게 하기 위해, 아래에서 노선을 “그리는” 내장된 LED를 포함하게 될 것이다.
도로는 도로 위의 야생 동물을 감지할 수 있게 될 것이며, 운전자들에게 "감속"하도록 경고할 수 있을 것이다.
보다 안전한 겨울 운전을 제공하면서, 눈 및 얼음이 쌓이는 것을 방지하기 위해 표면에는 가열 요소를 끼워 넣게 될 것이다.
이러한 특성이 결합된 시스템은 화석연료 사용을 점진적으로 배제하는 것을 가능하게 해주어 안전하며, 지능적인, 분산된, 자가 치유적 전력 배분 시설로서 기능할 지능형 고속도로가 될 것이다.
아스팔트 도로 및 주차장을 태양광 도로 패널로 교체하는 것은 기후 변화를 막는 데 있어 주요 스텝이 될 것이다. 완전 전기 자동차들은 도로와 주차장에서 충전이 가능할 것이며, 이로 인해 결국 전기 차량은 장기 여행에도 실용성을 부여받게 될 것이다.
기존 사용 전력의 3배 이상의 동력을 생산하는 것을 가능하게 하면서 (전 세계에 동력을 제공하기에도 거의 충분한 양), 미국에서만 가로 세로 12인치 태양광 도로 패널로 아스팔트 표면을 덮는데 대략 50억 달러 정도가 (자체 부양책) 들 것으로 추정된다. GTB

富士필름
유기EL 재료 참여
고기능 필름, 수분 방지 
富士필름은 유기EL(일렉트로 루미네센스)와 태양전지의 기간재료가 되는 고기능 필름. 「초하이배리어성 투명 필름」을 개발했다. 유기EL의 발광재료 등이 싫어하는 수증기의 침입을 방지한다고 한다.
유기EL 관련분야에서는 이 회사 최초의 제품으로 샘플 출하를 개시. 올해 실용화를 목표로 하고 있다.
이 필름은 유기재료의 봉지(封止)에 사용한다. 현재 사용되고 있는 유리나 금속을 대체하면 패널을 보다 얇게 만들 수 있다고 한다. 접을 수 있는 플렉시블 유기EL이나 전자 페이터, 유기EL 조명에 대한 용도 전개를 상정한다.
외부에서 들어오는 수증기는 전자 디바이스의 소자성능을 열화시켜서 내구성이 손상되는 원인이 되며 또한 유기재는 수분에 약하기 때문에 봉지재료는 불가결. 富士필름의 제품은 1평방미터 당 하루에 통과하는 수증기의 투과율이 10의 마이너스 6승으로 세계 최고 수준의 수증기 배리어 성능을 갖추었다. 1그램의 수분이 투과하는데, 100만일(日)이 걸린다는 계산이 된다고 한다. 지금까지는 10의 마이너스 3승의 투과율이 중심이었다.
롤 상태로 만 필름을 연속 처리하여 제조하는 「롤 투 롤 방식」을 이용한 성막기술과 품질보증을 위한 측정법도 확립. 양산화에 기준을 마련하였다. 일경산업

태양전지, 축전 가능케
전자페이퍼에 응용
鹿兒島大學의 野見山輝明 조교 등은 발전과 함께 축전도 가능한 태양전지「광축전지」를 개발했다. 2종류의 전극재료를 조합시켜서 전극을 제작, 태양광에서 전기를 끌어내어 충방전도 가능하게 했다. 빛을 전기로 바꾸는 효율은 아직 극히 낮지만 앞으로 개발을 거듭해 전자 페이퍼용 등의 초박형 전지로서의 실용화를 목표로 한다.
개발한 것은 통상의 태양전지처럼 두 개의 전극으로 되어 있고, 발전과 축전 양쪽 작용을 함께 하는 광축전지. 마이너스극 전극에 발전을 위한 이산화티탄과 축전을 위한 폴리아민을 조합시켰다. 광촉매의 주재료 이산화티탄은 태양광에 포함된 자외선의 에너지를 흡수하여 전력으로 변환한다.
사방 약 3센티미터로 두께 5밀리미터의 광축전지를 시작, 성능을 확인하는 실험을 했다. 15분간, 강력한 자외선을 쏘여 충전하고 방전시킨 결과, 전압이 약 200밀리볼트로 10밀리암페어의 전류가 1시간 흐른다는 것을 확인했다. 단, 실험과 같은 레벨의 자외선을 얻으려면 태양광의 경우 150분간 조사할 필요가 있다.
태양전지를 사용하는 태양광 발전은 낮에 태양이 떠 있는 동안에만 발전할 수 있다. 여분의 전력을 모아 두는 축전지와 병용하여 사용한다. 개발한 광축전지라면 전지 하나면 되기 때문에 소형이며 슬림형인 휴대형 장치용 전원으로서 적합하다. 전자페이퍼에 도입하는 등의 용도를 상정하고 있다고 한다.
단, 현재는 에너지 변환효율이 0.05%. 실용화에는 5-10%까지 끌어올려야 한다.
앞으로는 전극재료를 연구하는 등의 방법으로 가시광에서도 전력을 얻을 수 있도록 할 계획이다. 일경산업

야노경제연구소의 세계 태양전지
시장조사 결과 
일본의 야노경제연구소는 세계 태양전지 시장 조사결과를 발표하였다. 조사기간은 2009년 4월에서 7월까지이며, 조사대상은 태양전지 셀, 모듈업체 및 제조장치 업체 등이다. 이번 조사에서 대상이 된 태양전지 시장은 결정 실리콘 태양전지, 박막 실리콘 태양전지, CdTe 태양전지, 화합물계(CIS, CIGS) 태양전지, 색소증감형 태양전지의 주요 다섯개 분야이다. 조사결과의 개요는 다음과 같다.
1. 결정 실리콘 태양전지
2008년의 결정 실리콘 태양전지 셀의 생산량은 5.6GW로 추계되었다. 최근 2년간 시장은 2.5배정도 수준까지 확대되었으나 2009년 상반기는 태양광 발전시스템의 도입량이 크게 늘어나지 않고 있으며, 앞으로 역시 지금까지와 같은 성장을 기대하기는 어려운 상황이다.
또한 2008년 가을 이후, 수요정체와 함께 지속적으로 급등해오던 폴리실리콘의 가격이 급락하여 결정 실리콘 태양전지 업체간의 가격 경쟁이 격화되고 있다. 실제로 2008년 9월 시점에서 3.5달러/W 전후의 범위이던 셀 가격은 2009년 봄에는 2.0달러/W를 하회하는 수준까지 떨어져 있어 결정 실리콘 태양전지 업체의 수익이 악화되고 있다. 이 때문에 결정 실리콘 태양전지 업체에서는 변환효율의 향상, 저비용화를 위한 기술개발을 현재까지 이상으로 크게 강화하고 있다. 셀의 고효율화 방법으로는 백컨택 방식[주1]의 적용이나 표면 상태의 개량, 전극의 세선화 등이 주로 채택되고 있으나, 그 밖에 중국, 대만 업체를 중심으로 연구 개발이 진행되고 있는 n형 기판을 사용한 [n타입] 기술이 부상하고 있어 셀의 고효율화를 위해 어떤 기술이 선택될 것인가도 향후의 초점이 되고 있다.
2. 박막 실리콘 태양전지
박막 실리콘 태양전지는 폴리실리콘의 수급이 어려워진 2007년경을 경계로 실리콘 재료의 사용량이 적다는 점에서 참여 업체가 급증하였으며 생산량도 2007년 167MW, 2008년에는 357MW로 순조로운 시장확대가 이루어졌다. 그러나 2009년에는 500MW 전후로 생산량이 더 이상 늘지 않을 전망이다. 박막 실리콘 태양전지와 결정 실리콘 태양전지의 가격차가 줄어드는 경향이 있다는 점과 함께 속속 도입된 턴키(turn-key) 시스템[주2]의 가동이 늦어지고 있다는 점, 그리고 기대되어 왔던 템덤(tandem, 다접합형) 구조의 양산도 생각보다 늦어지고 있는 것이 요인으로 지적되고 있다. 박막 실리콘 태양전지가 향후 확실하게 시장에 정착할 수 있을지에 대해서는 업계에서도 큰 관심을 보이고 있는 상황이다. Cd의 안정성이나 Te의 자원 유한성을 지적하는 의견이 강하지만 시장에서 가격 결정의 주도권을 가지고 있는 미국의 주요 업체가 CdTe계 태양전지를 벤치마크의 하나로 생각하고 있기 때문에 박막 실리콘 태양전지 업체에게 있어서는 변환효율의 향상을 비롯하여 수율의 개선이나 부재 비용의 절감 등 업체의 경쟁력이 시험되는 국면을 맞고 있다.
3. 화합물계 태양전지
CIGS 태양전지의 생산량은 2007년 20MW, 2008년에는 50MW로 추계되었다. 2009년은 지금까지 중심적 역할을 해 온 유럽의 수요가 저조하기는 하지만, 참여기업의 증가 등에 따라 180MW 정도까지 확대될 전망이다. CIGS 태양전지는 연구레벨에서 20%에 가까운 변환효율을 실현하고 있어, 가능성을 포함한 변환효율의 우수함이 결정 실리콘 태양전지와 경쟁이 가능한 태양전지로서 주목이 높아지고 있다. 이 분야의 선도업체인 일본 국내의 메이저 업체가 추가적인 공장설립 계획을 밝히는 등 증산을 위한 움직임이 활발하게 이루어지고 있으나, 결정 실리콘 태양전지와 경합을 하는 상황에서는 안정성과 저렴한 양산 기술의 확립을 서두를 필요가 있을 것이다.
4. 색소증감형 태양전지
색소증감 태양전지는 도포 및 인쇄공정이 중심이기 때문에 제조비용이 낮다. 그리고 실내 등 광량이 적은 환경에서도 안정적으로 발전이 가능하다는 점이 장점이기 때문에 차세대 태양전지 기술의 하나로 주목을 모으고 있다. 2009년 3월에는 스위스 연구그룹이 12%를 상회하는 변환효율을 달성하는 등 소면적 셀에서 고효율화가 진행되고 있다. 한편, 내구성이나 대형화의 관점에서는 아직 많은 과제를 남기고 있기 때문에 발전용으로서의 실용화는 2015년 경이 될 것으로 예측된다.
5. 장래전망
현재의 시장환경은 세계적인 경기후퇴의 영향을 받은 일시적인 것으로 이야기할 수 있다. 향후에도 지구온난화 대책을 목적으로 한 자연 에너지로의 전환의 유력한 수단으로서 태양광 발전의 도입이 적극적으로 진행될 것이며 시장도 지속적으로 확대될 것이 예측된다. 그러나 지금까지 순조롭게 시장 점유율을 확대해 온 메이저 업체들이 고전하고 있으며 경합업체들의 추격을 허용하는 등 2009년은 업체간의 경쟁이 더욱 심해지고 있다. 따라서 시장은 예전의 [만들면 팔린다]에서 [어떻게 팔 것인가]의 개념으로 바뀌고 있다고 할 수 있다. 업체들도 단순히 원료를 확보하여 생산능력을 확대하는 것뿐만 아니라, 향후 태양전지 사업을 어떤 방식으로 확대해 나갈 것인가가 매우 중요한 시기가 되었다. 지금은 기술이나 생산규모뿐만 아니라, 사업영역이나 설비투자, 기술 포지션 등을 종합적, 전략적으로 판단하는 것이 요구되고 있다. GTB
초박형 HIT 태양전지 셀에서
세계 최고 레벨의 변환효율 달성
일본의 산요전기는 연구레벨의 HIT 태양전지에서 올해 5월에 발표한 실용크기 세계최고 변환효율에 해당하는 23.0%[관련기사 참조]에 근접한 22.8%의 변환효율을 종래의 절반 이하의 셀 두께인 98um에서 실현했다고 밝혔다. HIT 태양전지 등 결정 실리콘계 태양전지의 경우에는 발전층인 실리콘 웨이퍼의 박형화와 에너지 변환효율의 양립이 태양광 발전시스템의 저비용화에 매우 중요한 과제이다.
일반적으로 자원절감과 비용절감을 위해 실리콘 웨이퍼를 박형화하게 되면 광흡수량이 감소하여 변환효율이 떨어지는 요인이 된다. 이번 연구개발에서는 높은 에너지 변환효율이 특징인 HIT 태양전지 셀에서 지금까지 확보해 온 고효율화 기술을 활용하는 한편, 셀 박형화의 중요한 과제였던 성능의 저하를 대폭적으로 억제할 수 있는 새로운 기술을 개발하였다. 그 결과, 종래의 고효율 태양전지의 절반 이하의 셀 두께를 가지는 초박형 HIT 태양전지 셀에서 세계최고 수준의 실용사이즈 변환효율 22.8%를 연구레벨에서 달성하였다.
이번에 개발된 주요 기술의 상세한 내용은 다음과 같다.
(1)고전압접합기술
HIT 태양전지의 구조의 특징은 발전층인 단결정 실리콘 기판 표면에 고품질 비정질실리콘층을 적층함으로써 전기의 근원인 전하의 재결합 손실을 줄여 높은 개방전압을 얻을 수 있다는 점을 들 수 있다. 이번 개발에서는 디바이스 설계 과정에서 전압을 보다 중시하는 구조를 선택한 결과, 셀이 얇아진 경우에 개방전압이 크게 상승하는 조건을 발견하여, 종래의 0.729V에서 0.743V로 고전압화하는 데 성공하였다.
(2) 광차폐효과의 개선
HIT 태양전지에서는 셀의 모재인 실리콘웨이퍼가 광을 흡수하여 발전층으로서 기능한다. 이 때문에 종래에는 셀을 박형화하면 발전층인 실리콘웨이퍼가 얇아지기 때문에 광흡수층이 감소하여 단락전류가 떨어지는 문제가 있었다. 이러한 문제에 대해 실리콘 표면의 요철 구조 개선과 비정질실리콘층 및 투명전도층에서의 광흡수 손실저감 기술을 개선하여 실리콘웨이퍼의 광차폐 효과를 향상시키는 데 성공하였다. 결과적으로 종래에는 37.3mA/cm2이던 단락전류를 98um의 초박형 HIT 셀에서 38.8mA/cm2까지 크게 증가시킬 수 있었다.
연구팀은 이번에 개발에 성공한 HIT 태양전지 셀의 박형화와 고효율화를 양립하는 기술의 양산품 적용을 진행하는 한편, 앞으로도 지속적인 고효율화, 저비용화, 자원절감을 목표로 한 기술 개발을 추진해 나갈 예정이라고 한다. GTB