2015. 09

CONTENTS

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3 태양열 저온 수증기로 바이오매스 가스화

4

5 바이오매스 반탄화와 펠릿화 공정의 최적화

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리그노 셀룰로오스 바이오에탄올의 수명주기 평가

농산 바이오폐기물의 활성탄 생산 잠재력

폐목재로부터 바이오수소 생산 – 전나무로 생산된 바이오에탄올의 촉매 수증기 개질

가수 탈산소 공정 - 바이오매스 연료화 촉매 전환기술의 진전

7 보상 실리콘 태양전지의 온도지수-잉곳 위치와 혼합비의 영향

이 자료는 한국과학기술정보연구원의 첨단기술정보분석 니즈정보 제공으로 해외 신재생에너지 관련 저널을 발췌·요약·번역하였습니다.

8 Cu2O/I2 전해질의 반도체-액체의 이종 접합 태양전지

9 태양열 온수 시스템에 상변화 물질의 활용 및 연구현황

10 QSC 실리콘 잉곳으로 만든 태양전지 성능

11 약한 단파장 응답의 CdS/CdTe 태양전지 성능개선을 위한 C-LDS의 적용

1 리그노 셀룰로오스 바이오에탄올의 수명주기 평가

저 널 명 Renewable and Sustainable Energy Reviews

원문제목 Life cycle assessment of lignocellulosic bioethanol: Environmental impacts and energy balance

저 자 Marjorie Morales, et.al.

연도/권(호)/페이지 2015 / 42() / pp. 1349 ~ 1361

SUMMARY

○ 국내에서 목재/바이오매스로부터 알코올을 생산하여 자동차용 연료로 사용하고자 하는 시도는 1990년대 초 한국에너지기술연구원이 주관이 되어 산학연 공동연구를 한 바 있다. 이 연구는 목재 칩을 증기 폭쇠하는 전처리기술과 이를 당화하는 효소 생산기술 확보로 연료 에탄올 20L/d 규모의 공장을 설치하여 운전하였다. 그 후 연료 에탄올 연구는 목재자원의 수급 및 경제성 문제로 더 이상 수행되지 못하였다.

○ 리그노 셀룰로오스를 바이오정제를 거쳐 바이오연료, 바이오생산물 및 화학약품을

생산하는 개념은 약 70년 이전에 생겼다. 오랜 개념에 대한 최근의 관심은 석유 및 화석에너지를 바이오매스에너지로 대체함으로써 기후변화를 완화하는 데 있다. 몇몇 연구자들은 현대 기술로 리그노 셀룰로오스로부터 바이오연료를 지속적으로 생산할 수 있다고 주장하고 있다.

○ 제2세대 연료는 이용 측면에서 폭넓은 변화를 보이고 있어 리그노 셀룰로오스 원료

및 최종 생산물인 가스 혹은 액체연료는 변수로 작용할 수 있다. 제2세대 바이오연료의 주원료는 목초와 같은 비식용작물로 충당할 수 있고 또한 성장이 잘 되는 단기 회전 살림에 의해서도 공급될 수 있다. 바이오매스 폐기물 잔사로부터의 제2세대 바이오연료는 앞으로 10～15년 이내 시장형성이 가능할 것으로 보고 있다.

○ 이 글에서 바이오에탄올은 온실가스 공해와 오존층 고갈에 대해 확실한 감소를 보였

다. 그 밖에 충격 범주인 산화, 하천의 부영양화, 인류건강 및 광화학적 스모그와 같은 것은 긍정적이거나 혹은 부정적인 영향을 주었다. 바이오에탄올 생산에 대한 수명주기 평가 결과에서 가솔린-바이오에탄올 배합비율은 원료물질원에 따라 비율에 커다란 영향을 미쳤다.

2 농산 바이오폐기물의 활성탄 생산 잠재력

저 널 명 Renewable and Sustainable Energy Reviews

원문제목 Agricultural bio-waste materials as potential sustainable precursors used for activatedcarbon production : A review

저 자 Mohd Adib Yahya, et al.

연도/권(호)/페이지 2015 / 46() / pp. 218 ~ 235

SUMMARY

○ 우리나라에서 활용 가능한 바이오매스자원은 임산, 농산, 축산폐기물 및 도시폐기물을 합쳐 약 2,300,000toe에 이르지만 활성탄 생산용 원료물질은 극히 일부 임산물뿐이다. 국내 활성탄 생산은 주로 목재, 갈탄 및 이탄을 원료로 사용하여 활성화제인 ZnCl2 및 H3PO4와 같은 약품으로 처리하여 건조, 활성화시켜 분말이나 입상으로 만든다. 국내에서 가장 많이 소요되는 분야는 수-처리부문이며 이의 활용기술은 세계적인 수준이라 할 수 있다.

○ 일반적으로 활용 가능한 활성카본은 목재, 야자껍질, 리그나이트 및 석탄과 같은 천

연재료로부터 만들어진다. 대부분의 연구에서는 농업 고형폐기물인 왕겨, 톱밥 및 나무껍질과 같은 산림산업으로부터 발생되는 폐기재료를 흡착제 원료로 사용한다. 이러한 재료는 대량수집이 가능하고 값이 싸면서 물리․화학적 특성이 있어 흡착제 재료로서 잠재력이 있다.

○ 흡착프로세스의 경우 배출폐기물로부터 유기물을 제거하는 것이 효율적이다. 활성

카본은 유기오염물에 대한 탁월한 흡착능이 있기 때문에 흡착제로 가장 널리 사용된다. 활성카본의 높은 흡착능은 일반적으로 높은 표면적과 공극크기 및 다공성과 관련이 있으며 또한 흡착능은 천연재료의 활성화 방법에 따라 달라진다.

○ 이 글에서는 농산폐기물 재료로부터 유도되는 광범위한 활성탄을 다루었다. 활성탄

생산에서는 큰 표면적과 미세-다공성 및 선택성을 갖는 생산기술에 대해 확실한 방안을 제시했다. 농업잔사 재료는 상대적으로 염가이면서 지역생산이 가능하고 또한 효율적이어서 다양한 곳에 활용되는 활성탄을 상업적으로 대체 활용할 수 있다

3 태양열 저온 수증기로 바이오매스 가스화

저 널 명 Renewable Energy

원문제목 Biomass gasification using low-temperature solar-driven steam supply

저 자 Ravaghi-Ardebili, Z., Manenti, F., Corbetta, M., Pirola, C., Ranzi, E.

연도/권(호)/페이지 2015 / 74() / pp. 671 ~ 680

SUMMARY

○ 이 자료는 재생에너지의 하나인 바이오매스를 가스화하여 합성가스를 얻는 방법의 기술적 및 경제적 타당성을 검토하고 있다. 바이오매스는 산소함량이 높아서 가스화를 하면 석탄가스화에 비해 공정에 투입해야 하는 산소의 양이 적고 생산된 가스의 발열량도 상대적으로 적다.

○ 또한 바이오매스 가스화 매체인 수증기를 재생에너지인 태양열발전을 통해 얻음으

로써 완전한 탄소 중립적인 합성가스를 생산하는 경우에 대해서도 기술하고 있다. 그러나 또 다른 가스화 매체인 산소에 대해서는 충분한 설명을 하지 않고 있다.

○ 공기를 가스화의 산화제로 사용할 수 있을 것이다. 그러면 여기서 생산된 가스도 완

전한 재생에너지라고 주장할 수 있을 것이다. 이 경우에서는 공기 중 질소의 희석작용 때문에 합성가스의 수소 및 일산화탄소의 농도가 너무 낮아 화학공업의 원료가스로는 사용할 수 없다. 그러나 발전용 터빈을 구동시키는 데는 충분한 발열량을 가지고 있을 것으로 보이므로 발전에너지원으로의 사용은 가능할 것으로 생각된다.

○ 바이오매스의 가스화로 얻은 합성가스로서 액체연료 등 화학제품을 합성하려면 산

화제로는 거의 순수한 산소를 써야 하는데 여기에는 공기분리장치가 필요하다. 공기분리장치는 다량의 전력을 소비하므로 이를 공급하는 발전방식에 따라 생산된 합성가스의 재생에너지 여부가 결정될 것이다. 재래식 화력발전을 이용하는 경우는 그렇게 생산된 합성가스를 완전한 청정에너지라고 주장하기가 어렵다. 한편, 재생에너지발전은 소규모인 것이 특징인데 이렇게 생산된 전력을 모아 공기분리장치의 대규모 전력 수요에 충당하기는 어려울 것이다.

○ 우리나라의 바이오매스 현황은 산림청 국립산림과학원이 2014년 1월에 펴낸 “한국

의 산림 바이오매스 자원량 및 지도(Map) 연구보고”에 상세히 나와 있다. 2010년 말 기준으로 우리나라 전체 산림의 총 바이오매스 자원(이론적 바이오매스)은 8억 4백만 톤으로서 이를 에너지로 전환하면 3억 6천2백만 톤의 석유로 환산될 수 있고 한다.

4 폐목재로부터 바이오수소 생산 – 전나무로 생산된 바이오에탄올의 촉매 수증기 개질

저 널 명 Renewable Energy

원문제목 From wood wastes to hydrogen - Preparation and catalytic steamreforming of crude bio-ethanol obtained from fir wood

저 자 Dan, M., Senila, L., Roman, M., Mihet, M., Lazar, M.D.

연도/권(호)/페이지 2015 / 74() / pp. 27 ~ 36

SUMMARY

○ 리그노셀룰로오스(Lignocellulose)는 주로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 되어 있는데 이는 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스이지만 이를 화학적으로 처리하여 연료나 화학제품을 얻기가 매우 어렵다. 따라서 리그노셀룰로오스의 화학제품화는 가스화를 통해 합성가스를 만들고 이를 다시 Fischer–Tropsch 합성으로 연료나 그 밖의 화학제품으로 합성하는 것이 일반적이다. 이 자료에서처럼 바이오수소를 얻으려면 합성가스 중 일산화탄소를 수증기-가스 전환반응을 통해 수소로 전환하는 방법이 있다.

○ 이 자료는 리그노셀룰로오스를 혐기성 소화를 통해 생물학적으로 발효시켜 바이오

에탄올을 얻고 이를 다시 촉매 상에서 수증기 개질하여 바이오수소를 얻는 방법을 추구하고 있다. 곡물의 발효와 달리 리그노셀룰로오스의 발효는 에탄올 이외에 초산이 다량 생성되는데 이 자료에서는 이를 모두 바이오에탄올로 총칭하고 있다. 이 연구를 더욱 진전시켜 가스화를 통한 수소 제조와의 경제성을 비교하면 흥미로울 것이다.

○ 우리나라에서도 전남대학교 산학협력단의 “리그노셀룰로오스계 바이오에탄올 생산

공정의 효율 향상을 위한 통합공정 개발”, 국립산림과학원의 “목질계 에탄올 생산을 위한 대량 생산시스템 개발” 등과 같이 2차 바이오연료를 얻기 위한 기술 개발이 활발하게 전개되고 있는데 이 자료도 매우 비슷한 연구방향을 추구하고 있어 참고가 될 것이다.

○ 리그노셀룰로오스를 화학적으로 처리하기 어려운 이유는 리그닌의 존재 때문이다.

리그닌은 식물의 골격을 유지해 주는 물질인데 바로 이 리그닌이 존재하기 때문에 거대 나무가 자랄 수 있다. 식물의 진화과정에서 리그닌이 생겼을 때 진화적 측면의 시간이 짧아 이를 소화해낼 수 있는 생물이 등장하지 못하였다고 한다. 그래서 나무는 거대하게 자라게 되었고 이것이 매몰되어 석탄이 될 수 있었다는 이야기가 있다. 지금은 흰개미를 비롯하여 리그닌을 소화할 수 있는 미생물이 대량 출현하였기 때문에 다시는 석탄기를 기대할 수 없다는 점은 흥미로운 사실이다.

5 바이오매스 반탄화와 펠릿화 공정의 최적화

저 널 명 Applied Energy

원문제목 Process optimization of combined biomass torrefaction and pelletization for fuel pellet production – A parametric study

저 자 Magnus Rudolfsson, et al.

연도/권(호)/페이지 2015 / 140() / pp. 378 ~ 384

SUMMARY

○ 바이오매스의 리그노셀룰로오스는 셀룰로오스(35～50%), 헤미셀룰로오스(20～35%) 및 리그닌(10～25%)으로 되어 있고 단백질, 지질 및 추출 가능한 유무기 화합물이 소량 들어있다. 리그노셀룰로오스는 식물 세포벽의 주성분이기 때문에 지구상에서 가장 풍부한 재생 가능한 폴리머 자원이라고 할 수 있다. 그러나 반추동물이 아닌 대부분의 동물들은 이를 소화하기가 어려우며 또한 이의 가수분해에는 분해효소가 필요하다.

○ 이와 반대로 헤미셀룰로오스는 가지가 매우 많은 불균질한 다당류로서 다양한 당(오

탄당류와 육탄당류)으로 되어 있다. 리그닌은 식물의 몸체를 지지하고 물의 침투를 막는 역할을 하며 페닐프로판 바탕의 폴리머로서 지구상에서 둘째로 풍부한 폴리머 자원이다.

○ 리그노셀룰로오스는 쉽게 액체연료로 전환될 수 있는 곡물 등 1세대 바이오연료와

달리 식물을 다당류로 전환하는 미생물에 대항하여 식물이 진화시킨 정교한 방어시스템이며 다루기가 매우 어렵다. 따라서 리그노셀룰로오스의 연료화는 가스화나 열분해 등의 열적 처리가 유효하다. 이 자료에서는 열적 처리의 전단계로서 바이오매스를 반탄화 및 펠릿화하면 운반 및 저장 등의 비용을 절약할 수 있음을 밝히고 있다.

○ 우리나라의 바이오매스 주종은 임산물로서 전체 바이오매스 부존 잠재량의 95.3%

를 차지한다. 산림청 국립산림과학원은 2014년 1월에 “한국의 산림 바이오매스 자원량 및 지도 연구보고”를 발간하였는데 2010년 말 기준으로 전체 산림의 바이오매스 자원(이론적 바이오매스)은 8억 4백만 톤이며 이를 에너지로 전환하면 석유 환산으로 3억 6천2백만 톤이라고 하였다. 또한 바이오매스 자원 잠재력은 연간 2천5백만 톤이며 기술적 이용 잠재력은 연간 1천4백만 톤으로 보고 있다.

○ 리그노셀룰로오스에서 액체연료를 얻는 기술을 개발하기 위해 우리나라에서도 전남

대학교 산학협력단에서 “리그노셀룰로스계 바이오에탄올 생산공정 효율 향상을 위한 통합공정 개발”, 국립산림과학원에서 “목질계 에탄올 생산을 위한 대량 생산시스템 개발” 등 여러 연구논문이 활발히 발행되는 등 연구개발이 착실히 진행되고 있다.

6 가수 탈산소 공정 - 바이오매스 연료화 촉매 전환기술의 진전

저 널 명 Bioresource Technology

원문제목 Hydrodeoxygenation processes: Advances on catalytic transformations of biomass-derived platform chemicals into hydrocarbon fuels

저 자 Sudipta De, et al.

연도/권(호)/페이지 2015 / 178() / pp. 108 ~ 118

SUMMARY

○ 리그노셀룰로오스 바이오매스는 자원이 풍부한 재생에너지원이지만 이를 화학적 및 생물학적으로 처리하여 연료나 화학제품으로 만들기가 매우 까다로운 물질이다. 현재 이를 연료와 화학제품으로 전환하는 경로는 가스화, 열분해와 전처리/가수분해 등이며 여기서 얻은 합성가스를 다시 연료 등으로 재합성하는 방법이 있다.

○ 이 자료는 리그노셀룰로오스 바이오매스로부터 대체연료를 생산할 수 있는 기술들

을 많이 소개하고 있다. 수산화메틸푸르푸랄, 디메틸푸란, 푸르푸랄, 레불린산 등과 이들의 유도체까지를 고려하고 있다. 이런 점에서 최근 바이오매스로부터 유도되는 화합물 연료 생산을 원유에서 유도되는 석유제품들과 비교하여 바이오정유 공정이라고 부른다. 새로운 화합물 연료의 제조와 응용에 관한 기술은 아직 우리나라에서 많이 연구되고 있지 않기 때문에 이 자료에 소개된 연구정보는 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

○ 리그노셀룰로오스에서 화합물 연료를 얻으려면 가수 탈산소(HDO) 반응을 필수적

으로 거쳐야 한다. 그러나 현재의 HDO 방법은 다음과 같은 심각한 결점이 있는 것으로 보인다. 첫째 촉매비용이 비싸고(보통 귀금속 촉매를 사용), 둘째 극한적 반응조건(높은 온도와 압력)이 필요하며, 셋째 수소화 매체로서 분자수소나 그 보다 더 비싼 수소 공여 용매(예, 개미산)를 써야 하고, 넷째 수율이 낮은 점 등이 그것이다.

○ 소량의 귀금속(예, Ru, Pd 또는 Au)을 첨가한 Ni 바탕 촉매가 효율적인 대안으로 보

인다. Ni 원자가 촉매 표면을 차지하고 분자 H2 활성을 증진한다. 촉매 중 활성금속과 함께 촉매 지지물도 HDO 공정에서 핵심 역할을 한다. 그런 점에서 활성탄은 가장 촉망되는 촉매 지지물로 보인다. 수소 소비가 적고 최소한의 코크 형성으로 직접 산소 제거에서의 선택성이 크다. 또한 탄소 지지물의 소수성 성질은 HDO 반응에서 나오는 물에 기인한 비활성화에 대한 저항력이 크다.

7 보상 실리콘 태양전지의 온도지수-잉곳 위치와 혼합비의 영향

저 널 명 Energy Procedia

원문제목 Temperature coefficients of compensated silicon solar cells –influence of ingot position and blend-in-ratio

저 자 Charly Berthod, et al.

연도/권(호)/페이지 2015 / 77() / pp. 15 ~ 20

SUMMARY

○ 일반적으로 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 방법으로 쵸크랄스키(Czochralski)법을 이용한다. 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는 실리콘 융액이 저장되는 석영 도가니와, 이를 감싸는 히터, 보온 벽이 내부에 설치되며 반응 챔버와 케이블 등을 구비한다. 실리콘 단결정 잉곳을 제조하기 위해서는 먼저 석영 도가니에 초 고순도의 다결정 실리콘과 보론을 장입한 후 히터로 가열하여 용융시킨다. 이후, 융해된 실리콘 융액 내에 결정을 담근 후, 회전시키면서 서서히 끌어올림으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.

○ 한편, 다결정 실리콘을 융해시켜 잉곳을 성장시키는 데는 반응 챔버 내부가 적어도

1,400℃의 온도가 필요하다. 이 때 발생되는 고온의 이물질은 지속적으로 배출관을 통하여 외부로 배출되며, 장시간 잉곳을 성장시킨 후에는, 잉곳 제조 장치를 오픈하여 이물질 등을 제거하기 위해 청소한다. 이글은 이렇듯 고순도의 실리콘 잉곳을 제조할 때 들어가는 에너지와 경비를 줄이면서 태양전지의 성능을 향상시키고자 하는 노력으로 보상 태양전지를 두고 Jsc나 Voc 등 특성의 향상을 시도한다. 혼합비가 높음에도 바람직한 성능이 나온다면 원가절감 면에서 바람직하다고 본다.

○ 태양광업계를 보면 국내외적으로 뜨겁게 달아오를 조짐이다. 발전사업 호황 속 태양

광에 대한 투자가 잇따르고 원자재인 폴리실리콘 가격 회복세가 이루어지고 있기 때문이다. 이것은 태양광산업에서 수요가 늘고 있어 폴리실리콘 가격 상승에 대한 기대가 적지 않다. 국제 시장은 올해에도 태양광 수요는 하반기 진입 전후로 해서 미국·중국 중심으로 회복세에 있다고 보고 있다.

○ 국내 한화 큐셀은 지난 5월 음성군에 500MW 규모의 모듈 공장을 가동하기로 결정

했다고 밝혔다. 또 홍성군 죽도 태양광발전소 부지에서 200kW의 ′죽도 에너지자립 섬′ 기공식을 가졌다. OCI는 중국 저장성에 2016년까지 총 20MW 규모의 태양광발전소를 건설하고 있다. LG전자와 KT도 각각 ‘네온(NeON)2‘의 공개와 베트남 꽝빈(Quang Binh)성 44개 마을에 ’태양광 발전설비 시스템 구축′을 하고 있다.

8 Cu2O/I2 전해질의 반도체-액체의 이종 접합 태양전지

저 널 명 Electrochimica Acta

원문제목 Novel Semiconductor-Liquid Heterojunction Solar Cells Based on Cuprous Oxide and Iodine Electrolyte

저 자 Chih-Hung Tsai, et al.

연도/권(호)/페이지 2015 / 167() / pp. 112 ~ 118

SUMMARY

○ 현재 변환효율이 20%가 넘는 p-n 다이오드형 실리콘(Si) 단결정 기반 태양전지는 이미 시장에 진출하여 실제 태양광 발전에 사용하고 있다. 이보다 더 변환효율이 갈륨비소(GaAs : gallium arsenide)와 같은 화합물 반도체를 이용한 태양전지도 나와 있다. 그러나 이러한 무기 반도체 기반의 태양전지는 효율을 높이기 위하여 고 순도로 정제한 소재가 필수적이다. 이러한 소재의 정제에 많은 에너지가 소비되고, 또한 소재를 이용하여 단결정 혹은 박막으로 하는 과정에 고가의 제조 공정 장비가 필요하여 태양전지의 제조비용을 낮추는데 걸림돌이 되어왔다.

○ 이에 따라 태양전지를 소재 혹은 제조 공정의 비용을 대폭 감소시킬 필요가 있다. 이

것이 염료 감응형 태양전지와 유기태양전지를 활발히 연구하고 있는 이유이다. 염료감응형 태양전지용 나노 반도체 산화물(광 음극)을 선택할 때 가장 먼저 고려해야 할 부분은 전도띠 에너지 값이다. 지금까지 연구되어온 산화물은 주로 TiO2, SnO2, ZnO, Nb2O5 등 이다. 이들 물질 가운데 지금까지 가장 좋은 효율을 보이는 물질은 TiO2 로 알려져 있다.

○ 태양전지의 효율을 결정하는 변수는 Voc, Jsc, 그리고 FF 등이다. 가능한 모든 파장

의 빛을 흡수하기 위해선 반도체의 밴드 갭 에너지가 작을수록 유리하지만 그렇게 되면 Voc도 감소하게 되므로 적당한 밴드 갭을 가진 재료가 필요하다. 따라서 최대 크기의 Voc와 Jsc값을 얻기 위해 계산된 이론적인 최적의 밴드 갭 에너지는 1.4eV가 되게 조정이 필요하다.

○ 이글은 저렴하고 손쉽게 구할 수 있는 Cu2O 전극을 이용하여 전해질로 요오드 농도

를 10mM로 하여 제작한 이종 접합 태양전지의 성능보고이다. 대체적으로 양호한 결과이나 장기 사용 시 요오드에 의한 부식이나 침전물 형성에 대한 고려가 필요하리라 판단된다. 국내는 최근 이종접합 태양전지에 대하여 보고된 순서로 보면 가천대의 Cu2O 이종접합 태양전지, 에기연의 p a-Si:H 에미터층 최적화와 비정질/결정질 후면 전계층 최적화가 있다. 성균관대와 LG전자는 각각 TCO의 일함수변경과 a-Si:H/c-Si 박막 분석 등 다수가 있다. .

9 태양열 온수 시스템에 상변화 물질의 활용 및 연구현황

저 널 명 Renewable and Sustainable Energy Reviews

원문제목 Applications of solar water heating system with phase change material

저 자 Zhangyuan Wang, Feng Qiu, Wansheng Yang, Xudong Zhao

연도/권(호)/페이지 2015 / 52() / pp. 645 ~ 652

SUMMARY

○ 태양열 온수시스템(SWH, Solar Water Heating system)에 상변화 물질(PCM, Phase Change Material)의 잠열을 통해 열을 저장하면 기후나 밤낮 등의 변화로 운전이 단속적이 됨으로써 발생하는 열 공급과 수요 사이의 불균형 문제를 해결할 수 있다. PCM 열저장의 SWH에서는 어떤 조건에서도 즉시 온수를 사용할 수 있는 장점이 있다.

○ 또한 열량 변화가 큰 잠열을 이용하기 때문에 기존의 온수 열저장에 비해 작은 온도

변화, 적은 부피를 사용하여도 큰 열량을 저장할 수 있어 열손실을 줄이고 조밀한 시스템을 설계 및 제조할 수 있다. 그러나 PCM 열저장은 추운 날씨에서 효율이 떨어지고 시스템 비용이 증가하는 등의 단점이 있으며 또한 기술적으로도 과냉각 현상, 장기 사용에 따른 불안정성 등의 문제들이 남아 있다.

○ 현재 PCM은 고체-고체, 고체-액체, 고체-가스, 액체-가스의 4가지 상변화물질이 연

구되고 있지만 실제 이용되고 있는 것은 고체-고체 및 고체-액체 PCM들이며 고체-가스나 액체-가스 PCM들은 특수한 용도로만 연구되고 있다. 일반적으로 고체-고체 PCM은 고밀도 폴리에틸렌, 층상화 칼슘 또는 티타늄, 다 원자 알코올 등이 개발되어 있고 고체-액체 PCM은 유기물질로는 지방산과 파라핀, 무기물질로는 금속과 수성염이 개발되어 있으며 다양한 화합물 등도 연구되고 있다.

○ 이 자료는 SWH용 PCM의 기술적 개요와 특성, 연구개발 현황 및 앞으로의 기술개

발방향을 잘 요약하고 있어 태양열 온수시스템 관련 분야에서 크게 참고할 수 있는 자료이다.

○ 우리나라의 경우도 1990년대부터 태양열 이용을 장려하는 정책을 펼침에 따라 태

양열 온수시스템 시장이 1990년대 말에 연간 7만 여대에 이르는 등 시장이 크게 활성화되기도 하였으나 지금은 정부 지원이 거의 없어졌기 때문에 시장이 크게 침체되어 있다. SWH의 PCM 이용방식으로는 열 저장장치 통합방식, 집열판 통합방식, PCM 전용 회로방식 등이 연구되고 있으나 이의 보급 확대를 위해서는 시스템의 성능 개선과 함께 정부지원 등 비용 경쟁력을 높일 수 있는 대책이 절실하다.

10 QSC 실리콘 잉곳으로 만든 태양전지 성능

저 널 명 Solar Energy

원문제목 Performance of solar cells fabricated from cast quasi-single crystalline silicon ingots

저 자 Genxiang Zhong, et al.

연도/권(호)/페이지 2015 / 111() / pp. 218 ~ 224

SUMMARY

○ 단결정이나 다결정(mc) 실리콘 웨이퍼는 현재의 태양광 산업에서 기판 재료로 주류를 차지한다. 그러나 이들 2재료는 태양전지를 제조하는데 다소 부적합하다. 우선 mc-Si에 비해 단결정 실리콘은 물질 첨가한 p형 CZ-Si 웨이퍼로 낮은 결함 밀도와 낮은 반사율의 표면 텍스처링 때문에 높은 셀 성능을 보여준다. 그러나 CZ-Si 웨이퍼는 솔라 모듈 때문에 둥근 각으로 처리해야 하는데, 재료의 손실뿐만 아니고 최종 모듈의 면적 손실도 감수해야 한다. 또 심각한 광유도 저질화(LID)를 피할 수 없고 결국 코스트를 상향시킨다.

○ 한편 mc-Si은 태양전지의 평균 효율은 높은 전위밀도와 결함 구조의 금속 불순물 때

문에 mc-Si 태양전지의 전기성능이 이들로 인해 방해되어 CZ-Si 태양전지보다 훨씬 낮다. 또 mc-Si 태양전지의 다른 단점은 표면 텍스처링 이후에 표면 반사율이 높아 셀 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 본문에서 말하는 유사 단결정 실리콘(Quasi-single crystalline silicon, QSC-Si)은 캐스트 단결정 실리콘 기술로 CZ와 mc 실리콘의 양쪽의 장점을 갖고 제조한다.

○ QSC-Si은 실리콘 태양전지의 이상적 재료로 알려지고 있는데 정방형, 단결정에 낮

은 구조 결함 밀도와 제작 코스트가 낮다. 캐스트 공정의 크루시블에서 만들어지기 때문에 캐스트 유사 단결정 실리콘(QSC) 또는 일신형 실리콘(mono-like silicon) 등으로 불린다. 센터에 하나의 큰 그레인의 캐스트 결정이 있고 주위에 작은 입자들이 있다. 이 QSC-Si 태양전지는 본문에서 기술한 바와 같이 효율이 18% 이상으로 보고되어있고, 앞으로 PV산업에서 좋은 결과를 주리라 예측하고 있다.

○ 국내는 단결정 실리콘 태양전지에 대한 연구는 많다. 삼성종합기술원에서 고효율 단

결정 실리콘 태양전지와 성균관대에서 PC1D를 이용한 단결정 실리콘 태양전지 효율 등 많은 논문이 나와 있다. 최근 한화그룹과 충청남도가 지난 5월 개소한 ‘주도 프로젝트’는 홍성군의 죽도를 태양광을 활용한 에너지 자립 섬으로 변모시킨다. 또 한화큐셀은 인도와 필리핀에 50MW 규모의 태양광 발전소를 건설한다.

11 약한 단파장 응답의 CdS/CdTe 태양전지 성능개선을 위한 C-LDS의 적용

저 널 명 Solar Energy Materials and Solar Cells

원문제목 Application of concentrating luminescent down-shifting structures to CdS/CdTe solar cells with poor short wave length response

저 자 Thomas S.Parel, et al.

연도/권(호)/페이지 2015 / 140() / pp. 306 ~ 311

SUMMARY

○ 기존에 있는 대부분의 에너지 자원은 지속가능하지 않다. 그에 비하여 재생에너지는 지속가능한 발전 자원으로, 최근 재생에너지 사용은 증가하나 널리 보급되지 못하고 있다. 오늘날 재생에너지는 13%(바이오와 폐기물 10%, 수력 2.3%, 솔라, 풍력, 지열과 기타 0.9%), 화석 연료 81%, 원자력 5.7%의 비율이다. 화석연료로부터 나오는 CO2 배출은 2000-2010년 사이에 연평균 2.2%가 증가되었는데, 그 이전 30년 동안에는 연평균 1.3% 증가 하였다.

○ 이글은 CdS/CdTe 태양전지가 약한 광 파장에 접했을 때 발광 판(LP)의 파장을 이동

시키거나 집광 효과를 극대화하여 태양전지의 출력을 증가시키는 연구이다. 집중발광 저단구조(concentrating luminescent down-shifting structures, C-LDS)를 도입하여 발광 판의 집광효과와 파장 이동 특성의 이점을 결합하여 응답이 약한 파장역의 입사광을 집중화하고 장파장으로 이동하여 출력을 증가시킨다.

○ 이때 다중 형광물질을 사용하면 LSC에 비해 20%의 출력 증가를 보인다. 이의 성능

은 광 트레킹 효과를 상쇄한다. CdTe(Cadmium Telluride)기술은 대중적이고 매력적인 박막기술이다. CdTe 모듈이 최고의 효율을 내기 위해서는 CdS 두께는 0.06㎛, CdTe 두께는 3.5㎛이 필요하며 이때 효율이 16.0%이다. CdTe의 밴드갭은 1.45eV가 이상적이며 이는 대량생산에 유리하여 미국(40MW), 독일(19MW), UAE(5MW) 등이 이를 채택하고 있다.

○ 국내는 최근 한화그룹과 충청남도가 지난 5월 개소한 ‘주도 프로젝트’를 시작한다.

이는 홍성군의 죽도를 태양광을 활용한 에너지 자립 섬으로 변모시킨다. 또 한화큐셀은 인도에 50MW 규모의 태양광 발전소에 투자를 발표했다. 또한 필리핀에서 남부 디고스시티에 28.6MW규모의 태양광 발전소건설 프로젝트 계약을 맺고 발전소 공사설계, 조달을 맡았다. 박막태양전지 연구는 대구 경북과기원의 CZTS박막의 열처리, KIER의 CIGS 박막태양전지 및 경운대와 영남대 등에서도 CIGSe2와 CuGaSe에 대한 연구가 많다.

동 보고서는 산업통상자원부에서 시행하고 있는 ‘신재생에너지 해외진출

지원사업’의 지원을 받아 작성하였습니다.

2015. 09