두부를 만들고, 목욕 소금으로 사용되는 일반적인 화학물질이 최첨단 태양 전지(solar cell) 제조에서 독성을 가지고 있는 고가인 화학물질을 대체할 수 있을 것이라고 영국 리버풀 대학(University of Liverpool) 소속의 연구진이 수행한 새로운 연구는 제안했다. 모든 전문가가 동의하는 것은 아니지만, 이 연구의 저자들은 놀라운 발견이 카드뮴-텔루르 전지(cadmium-telluride cell)를 안전하게 제조할 수 있을 뿐 아니라, 상당히 저렴한 비용으로 제조할 수 있다고 밝혔다. 초박막 태양 전지의 새로운 품종인 카드뮴-텔루르 전지는 전 세계 태양 시장의 단 5%만을 차지하고 있다.
대부분의 상용 태양광 모듈은 초고순도 실리콘 웨이퍼를 기반으로 한다. 이러한 실리콘은 재료의 전자를 차버리는 일광을 흡수하여, 전지를 통하여 전자를 이동시킴으로써 전류를 생성한다. 다른 접근은 일광을 보다 더 강력하게 흡수하는 박막 재료로 전지를 구축하는 것이다. 이러한 방안은 재료가 고순도일 필요가 없으며, 신속하게 증착될 수 있다. 이러한 박막은 실리콘 웨이퍼의 두께의 1/100에 해당하는 약 1 마이크로미터 두께이며 따라서 상용 전지보다 더 적은 재료를 사용하고, 단단한 유리보다는 플라스틱 또는 포일 등과 같은 유연한 뒤를 받치는 재료로 만들어질 수 있는 가능성이 있다.
박막 전지, 특히 텔루르화 카드뮴(cadmium telluride, CdTe)을 기반으로 하는 박막 전지가 처음으로 제안됐을 때, 실리콘보다 더 저렴한 가격과 약간 떨어지는 효율 등으로 유망한 전망을 보여주었다. 그러나 2009년 중국으로부터 실리콘 모듈의 가격이 급락하여, 수많은 상용 실리콘 기업뿐 아니라 대부분의 박막 제조사들은 폐업하게 됐다. 최근 CdTe는 와트당 비용 측면에서 결정성 실리콘과 비등한 경주를 치루고 있다고 스위스 취리히 블룸버그 NEF(Bloomberg New Energy Finance) 태양 분석가인 Jenny Chase는 밝혔다. 더 낮은 효율을 상쇄하기 위하여, CdTe는 훨씬 더 저렴하게 판매될 필요가 있다고 그녀는 덧붙였다.
영국 리버풀 대학(University of Liverpool) 소속의 물리학자인 CdTe가 안고 있는 문제 중 하나가 전지가 효율을 촉진하기 위하여 염화 카드뮴(cadmium chloride) 용액으로 코팅을 해야만 한다는 점이라고 밝혔다. 염화 카드뮴 용액으로 코팅하는 이유는 염소 이온(chloride ion)이 CdTe 층에 용해되어 전자가 장치 전체로 쉽게 흐를 수 있게 만들어주는 반도체 접합(semiconductor junction)을 구축한다는 점이다. 그러나 전지의 염소 이온이 물에 녹기 때문에, 이 화학물질은 끔찍하다고 Major는 밝혔다. 염소 이온의 독성과 발암 가능성은 수중 생명에 오래 지속되는 피해를 입히며, 이 물질의 가격은 매우 고가이다. 화학자이 안전복을 입어야 하고, 실험실 또는 공장 폐기물에서 용해된 카드뮴을 여과시키는 등을 포함한 고가의 예방 조치를 취해야 한다. CdTe 층에서 카드뮴은 용해되지 않으며, 따라서 최종적인 모듈은 건강에 유해하지 않다고 Major는 밝혔다.
리버풀 대학 연구진은 염소보다 더 저렴하고 안전한 분말과 결합할 수 있는 원소를 찾기 위하여 주기율표에 주목했다. 연구진은 몇 가지 다름 염을 시험했지만, 이러한 염은 나트륨과 같은 이온이 장치의 전자 구조를 오염시키기 때문에 실패했다. 마지막으로 연구진은 CdCl2 만큼 효율적인 전지를 제조할 수 있는 가장 일반적으로 발견되는 화학물질인 염화 마그네슘(magnesium chloride, MgCl2)을 생각해냈다. 연구진은 마그네슘 이온이 2배의 양 전하를 가지고 있기 때문에, 염이 카드뮴 이온처럼 작용하고 따라서 전자의 흐름을 방해하지 않는다고 생각했다.
연구진은 염화 카드뮴으로 만들어진 전지만큼 우수한 전지를 얻을 수 있었다고 Major는 밝혔다. 그리고 연구진이 개방된 연구실 벤치에서 온라인으로 구매한 저렴한 스프레이 코터로 염을 이용할 수 있다고 Major는 밝혔다. MgCl2는 두유를 응고시키고 두부를 만들기 위하여 조리에 사용될 만큼 안전하다. 또 이 재료는 목욕 소금과 결빙 도로의 얼음을 제거하는데 사용된다. MgCl2의 비용이 킬로그램당 1 달러 정도인 반면, CdCl2은 300배 이상 더 비싸다.
2012년 파산한 CdTe 기업인 Abound Solar사를 설립한 미국 콜로라도 주립대학(Colorado State University) 소속의 공학자인 Kurt Barth는 CdCl2가 전지에서 가장 비용이 저렴한 부분 중 하나라고 밝혔다. 연구진이 실험실에서 MgCl2를 테스트하여 성공한다면 모든 공정에 채용할 것이라고 그는 밝혔다. 그러나 Barth와 Major는 예측된 절감을 정량화하지 못했다.
가장 큰 기업인 애리조나 주 템피(Tempe)에 있는 First Solar사는 이 기술에 회의적인 입장을 보였다. 환경, 건강 및 안전성 제어 등이 고가의 비용이 소요되지만, CdCl2 처리 단계는 제조 공정에서 주요한 비용 추진자가 아니라고 해당 기업의 최고 기술 담당자인 Raffi Garabedian은 밝혔다. Calyxo사 최고 기술 담당자인 Michael Bauer는 독일 CdTe 기업이 유사하게 회의적인 입장을 보였다고 밝혔다. 비용 측면에 대한 영향이 제한적일 것이라고 그는 밝혔다.
그림1> 고성능 실리콘 광전지보다 더 적은 효율성을 보이지만, 제조비용이 저렴한 박막 전지
그림2> 보호 장치가 요구되는 박막 태양 전지 제조 공정 중 염화 카드뮴 제어.
키워드 : 태양 전지, 카드뮴 텔루르 전지, 텔루르화 카드뮴, 염화 마그네슘
출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
원문:
http://www.nature.com/news/bath-salt-chemical-promises-safer-solar-cells-1.15464 제공:kisti, 다른기사보기기사등록일시 : 2014.07.14 15:43
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