나노크리스탈 잉크를 사용한 저렴한 박막 태양 전지

 

나노크리스탈 잉크를 사용한 저렴한 박막 태양 전지

 

 

미국 캘리포니아에 위치한 Solexant사가 나노결정(nanocrystal) 잉크를 사용한 태양 전지를 개발하고 있다. 이 기술은 상용화된 태양 전지에 비해 더 저렴하면서도 비슷한 효율을 달성할 가능성이 있다. 다른 박막 태양전지 회사와 경쟁하기 위해 Solexant사는 더 간단한 제조공정, 저렴한 소재의 사용 및 적은 초기 투자에 승부를 걸고 있다. 이 회사는 효율 10퍼센트 이상의 태양전지 모듈을 와트당 1달러 이하로 판매할 계획이다.

 

 

나노결정 잉크제조 기술은 Solexant의 이사이자 캘리포니아 주립대학교 (University of California, Berkeley) 교수인 Paul Alivisatos로부터 라이센스를 받았다. Alivisatos는 이 기술의 장점이 높은 효율과 낮은 원가의 결합에 있다며, 실리콘 결정(crystalline silicon) 태양전지는 효율은 높지만 원가가 높은 단점이 있다고 설명했다. Solexant는 원가를 낮추기 위해 실리콘 결정보다는 효율이 낮지만 가격이 훨씬 낮은 박막 반도체 태양 전지를 개발해 왔다.

 

 

Solexant의 목표는 비교적 높은 효율의 저렴한 박막 태양전지를 개발하는 것이다. 나노결정 잉크에 대해 자세히 밝히지는 않았지만 지름 4나노미터, 길이 20~30 나노미터인 막대기 모양 반도체 나노결정 현탁액(suspension) 이라고 한다. 나노결정 박막은 간단히 만들 수 있지만 전기적 특성이 불량한 단점이 있다. 전자가 나노입자 사이에 갇힐 수 있기 때문이다. Alivisatos는 전도성이 양호한 박막을 얻는 것이 중요한 기술이라며, 이를 통해 높은 효율을 얻을 수 있다고 밝혔다. Solexant가 나노결정을 선택한 이유는 간단히 인쇄할 수 있고, 가열 융해 시키면 전기적 특성이 양호한 넓은 면적의 고품질 마이크로 결정을 얻을 수 있기 때문이다.

 

 

위: 무기 반도체 나노결정 잉크를 사용해 롤투롤 (roll-to-roll) 인쇄로 만든 태양전지. 유연한 금속 포일에 인쇄되었으며, 유리 기판에 장착된다.

아래: 나노결정 잉크

 

 

태양 전지의 나머지 부품, 즉 전기 접점이나 광 흡수 층도 유연한 금속 필름 위에 인쇄된다. 따라서 대면적 제조가 가능하며, 완성되면 크기에 맞게 재단되어 유리에 장착된다. Solexant의 CEO인 Damoder Reddy는 전체 공정이 롤투롤 (roll-to-roll) 공정으로 이루어져 있어, 소면적으로 가공해야 하는 유리 인쇄 박막 태양전지에 비해 경쟁력이 있다고 한다. 그는 First Solar사의 경우, 진공 증착으로 유리에 인쇄해 박막 태양전지를 만들며 제조원가는 와트당 85센트인데 비해 Solexant는 와트당 50센트로 생산이 가능하다고 밝혔다. Nanosolar사의 경우 Solexant와 같이 나노결정을 이용해 태양전지를 만들지만 인쇄 과정 중에 화학반응을 수반하는 방법을 사용하기 때문에 공정이 복잡해져 제조원가가 올라가는 단점이 있다고 한다.

 

 

Solexant는 현재 2메가 와트 파일럿 플랜트를 건설하기 위해 2250만 달러의 벤처자금을 모금했으며, 내년에 100메가 와트 설비를 건설하기 위해 4000만 달러 이상의 모금을 계획하고 있다. Reddy는 태양 에너지 분야 신생 기업들은 이정도 규모의 설비를 위해 통상적으로 2억5천만 달러를 모금한다고 한다. Reddy는 이들의 첫 번째 제품은 나노결정 1층으로 이루어져 있으며 내년에 와트당 1달러에 판매할 계획이라고 밝혔다. 현재 전지의 효율을 높이기 위해 태양광의 다른 파장대를 흡수할 수 있는 다른 형태의 나노결정이 개발되고 있으며, 궁극적으로는 넓은 범위의 파장대를 흡수할 수 있는 다층 구조를 제조할 계획이라고 밝혔다.

 

 

산업분석기관인 iSuppli의 분석에 의하면 실리콘 기반 태양광 패널 가격은 2010년 와트 당 2달러로 예상되며, 박막필름 패널 가격은 와트당 1.4달러로 예상되고 있다. First Solar는 미국 최대 태양에너지 기업이자 박막 태양과 패널 대표 생산업체이며, 박막 기술을 이용한 패널의 비중은 전체 태양광 패널 중에서 2008년 14퍼센트, 2013년 31퍼센트를 차지할 것으로 전망되고 있다.

 

 

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Thin-Film Solar with High Efficiency

 

Solexant is printing inorganic solar cells with nanomaterials.

By Katherine Bourzac

 

 

Solar cells made from cheap nanocrystal-based inks have the potential to be as efficient as the conventional inorganic cells currently used in solar panels, but can be printed less expensively. Solexant, a company in San Jose, CA, is currently manufacturing solar cells to test the technology. In order to compete with other thin-film solar companies, Solexant is banking on simpler, cheaper printing processes and materials, as well as lower initial capital costs to build its plants. The company expects to sell modules for $1 per watt, with efficiencies above 10 percent.

 

 

Nanocrystal solar: The solar cells at top were made on a roll-to-roll printer from an ink consisting of the rod-shaped inorganic semiconducting nanocrystals shown below. The cells were printed on a flexible metal foil and will be topped with a glass plate.

Credit: Solexant

 

 

The company has licensed methods for growing nanocrystals and making them into inks from Paul Alivisatos, professor of nanotechnology at the University of California, Berkeley and interim director of the Lawrence Berkeley National Laboratory. (Alivisatos is on Solexant's board of directors.) Alivisatos says the advantage of these materials is their potential to combine low cost with high performance. Solar cells made from crystalline silicon are efficient at converting sunlight into electricity, but they're expensive to manufacture. To bring down the cost, companies have been developing thin-film solar cells from semiconductors that don't match crystalline silicon's performance but are much less expensive to make.

 

Solexant's goal is to make cheap thin-film solar cells with relatively high efficiencies. It would not disclose what the nanoparticle inks are made of, but the company says they are suspensions of rod-shaped, semiconducting nanocrystals that are four nanometers in diameter and 20 to 30 nanometers long. The Solexant cells are printed on a metal foil as the substrate. Nanocrystal films are simple to print but have poor electrical properties. Electrons tend to get trapped between the small particles. "The trick with these cells is how to deposit the materials on the fly in a way that makes a very conductive surface," which in turn ensures decent light-to-electricity conversion, says Alivisatos. Solexant begins with nanocrystals because they're easier to print, and heats them as they're printed, causing them to fuse together into larger, high-quality microcrystals that don't have as many places for electrons to lose their way.

 

The remaining parts of the solar cell, including the electrical contacts and a light-absorbing layer, are also printed on the flexible metal films. This process allows Solexant to print very large areas. When complete, the cells are cut and then topped with a rigid piece of glass.

 

Making the entire cell using a roll-to-roll process gives the company an advantage over other thin-film photovoltaic companies that print on glass, which is heavier and limited to smaller areas, says Solexant CEO Damoder Reddy. "The cost benefit is dramatic, allowing us to produce cells for 50 cents a watt," he says. First Solar, a thin-film company that uses vacuum deposition to print its cells onto glass, has manufacturing costs of 85 cents per watt.

 

Nanosolar, another company making nanocrystal solar cells, uses a different semiconductor that requires chemical reactions to take place during printing, which increases the complexity and expense of the process. "We print a preformed semiconductor," which eliminates such steps, says Reddy.

 

Solexant has raised $22.5 million in venture funding to build its two-megawatt pilot plant, and is seeking $40 million more over the next year to build a 100-megawatt facility. Solar startups typically seek about $250 million in capital to build such a plant, says Reddy.

 

The company's first product, which Reddy says will sell for $1 per watt next year, will contain a single layer of the nanocrystals. The company is currently developing other types of nanocrystals that are more responsive to different bands of the solar spectrum in the hopes of boosting its cells' efficiency. "Ultimately we want to make a multilayer, broad-spectrum cell," says Reddy.

 

 

 

 

Source : KISTI, technologyreview.com