2015년 10월 17일 토요일

태양광 발전에 지불하기

2017년 정상 가동될 SolarCity의 기가와트급 태양광 모듈 제조 공장(Buffalo, New York)은 태양광 발전에 대한 호황 수요를 반영한 것이다. 그런데 지속 가능할까? 

미국 태양광 발전량은 2008년에 1.1 GW에서 2014년 말 18.3 GW로 증가했다. 대부분은 California에서 나왔지만 미연방 세액 공제와 지역 인센티브로 인해 다른 주에서도 증가 추세다. 대충 미국의 작년 발전 용량 추가분의 1/3은 태양광에서 나왔다. 그 다음은 천연 가스이다.  

SolarCity는 혁신적인 금융 계획을 제공함으로서 rooftop 패널 수요에 대한 대비에 박차를 가하고 있다. Rooftop 패널은 태양광 시장에서 가장 빠르게 성장하는 부문이다. 

주택 소유자는 비싼 태양광 패널을 사고 설치에 지불하는 대신, SolarCity가 제공하는 것 중 하나에 참여하면 20년 동안 태양광 발전 시스템을 임대할 수 있다. 

SolarCity가 태양광 패널을 소유하기 때문에 태양광 발전에 대해 아무리 못해도 30%의 미연방 투자 세액 공제로 부터 이익을 챙길 수 있다; 주택 소유자는 그리드에 재공급된 잉여 전력에 대해 소매 전기 요금을 떨어뜨릴 수 있다. 

SolarCity는 아직 수익을 못 내고 있지만 임대 프로그램이 주택 소유자한테 매력적이라는 것이 증명되면 상황은 반전될 것이다.  


모든 것이 잘 풀리더라도 Buffalo 공장은 극적으로 바뀔 태양광 발전 시장에 직면하게 될 것이다. 

2016년 말이 되면 미연방 세액 공제는 기업은 30%에서 10%으로 떨어지고 자신의 태양광 패널을 구매한 소비자에 대해서는 아예 없어진다. 주택용 태양광 발전이 저렴하지 않게 되는 것이므로 이 변화는 태양광 산업에 치명적이다.  

세금 감면 축소로 인해 무슨 일이 일어 날까하는 공포는 불운한 현실을 증폭시킬 것이다: 대부분 지역과 대부분 조건에서 보조금이 없은 태양양 발전은 아직도 다른 전기 소스에 비해 너무 비싸다.

Rooftop 태양광 발전이 특히 비싸게 될 것이다. Severin Borenstein 교수는 솔라와 같은 청정 에너지에 대한 정부 인센티브가 없으면 천연 가스가 모든 것을 쓸어버릴 것이고 말한다. 

Deutsche Bank는 현재의 솔라 전력 비용과 전기 소매 가격을 비교했다. 다양한 요금 목록이 있는데 그리를 유지하고 업그레이드하는 수수료가 포함된다. 전기를 실제로 생산하는 비용을 정확하게 비교한 것은 아니지만 더 많은 청정 에너지를 보급하고 탄소 배출 감소를 시키는 비용 효율적인 방법인지를 결정하는 비교된는 된다. 

태양전지 모듈 원가는 지난 몇년 동안 인상적으로 떨어졌다. Si 솔라 모듈은 2008년 $4/W, 2014년 65 cents/W 였다. 하지만 다른 비용을 감소시키는 것은 더 어려웠다. 다른 비용을 소위 BOS(Balance of System) 비용이라고 하는데 인버터와 같은 패널을 그리드에 연결하기 위해 필요한 하드웨어와 가장 결정적인 것은 시스템 설치 인건비이다. 

무거운 솔라 모듈을 집 지붕 위에 설치하는 것은 특별히 비싸다. 2015년 5월에 발표된 MIT 보고서(The Future of Solar Energy)에 의하면 BOS 비용은 시스템의 총 비용의 거의 85%을 차지한다. Robert C. Armstrong은 태양전지 재료를 무료로 주더라도 석탄과 천연 가스 만큼 싼 전기를 여전히 만들 수 없다고 한다. 

경제학자들은 서로 다른 전기 소스를 비교하기 위해 ‘Leveled Cost Of Energy’계산을 선호한다. 이 계산은 시스템 설치비와 수명 기간 동안 전기를 생산하기 위한 평균 비용을 예측한 것이다. 생산된 전기를 곧 바로 유틸리티로 보내는 대규모 태양광 발전소는 비용 효과가 가장 크다. 

MIT 보고서에 따르면 남부 California와 Massachusetts에 있는 태양광 발전소의 LCOE는 각각 10.5 cents/KWh와 15.8 cents/KWh이다. 반면 새로운 천연 가스 발전소는 6.6 cents/KWh에 전력을 생산할 수 있다. 주거용 태양광 발전의 경우 더욱 실망스러운데 Massachusetts 가정은 28.7 cents/KWh에 태양광 발전을 하고 남부 California는 19.2 cents/KWh에 태양광 발전을 한다.

이 비용은 정부 지원금이 없을 때이다. 세액 공제 같은 지금의 인센티브가 있으면 태양광 발전은 훨씬 더 유리해 지는 것은 맞지만 가스 발전소 전기보다 여전히 더 비싸다.

Stefan Reichelstein와 그의 동료들은 특히 세금 감면이 태양광 경제에 미치는 영향을 조사했다. 그들은 California의 거대 태양광 발전소는 세금 감면 없이도 2025년에는 천연 가스 발전소와 경쟁력이 있을 것이라는 것을 알아냈다.

이 이야기는 주거용 태양광 발전에는 해당되지 않는다. 30%의 세액 공제가 있을 때 California의 주거용 태양광 설비는 소매 전기 가격 보다 낮게 전기를 생산할 수 있다. 만약 세액 공제가 10%로 떨어지면 미국의 어느 주도 그리드 패러티를 달성할 수 없다.

이것은 정부 인센티브가 태양광 발전 보급에 얼마나 중요한 역할을 하는지 알 수 있게 한다. 정부 인센티브는 가능한 공정하고 세심하게 설계되어야 한다. 예를 들어 유틸리티 규모 발전소에 비해 rooftop 태양광 발전과 같은 비효적인 크린 에너지에 더 많이 지원되어서는 안된다는 것이다.

Net metering(신재생 전기를 그리드에 전송해 주는 서비스)을 함으로써, 대부분 주의 정책은 거주자가 태양광 발전 전기를 그리드에 소매 가격으로 팔 수 있도록 해 준다. Rooftop 태양광 발전을 하는 거의 모든 가정이 그리드와 연결되어 있다. 태양광 발전의 간헐적 본성 때문이다. 이들 주택 소유자는 전력 저장과 백업을 위해 그리드를 이용하고, California와 New York의 경우 높은 소매 가격으로 태양광 전기를 팔아 작은 횡재를 얻는다. 태양광 발전 지지자들은 이 rooftop 솔라가 그리드에 전력을 보태 낮 동안 전력 수급을 도와 그리드를 안정화시킨다고 주장한다. Borenstein은 net metering도 명백히 보조금이기 때문에 그리드 운영 비용을 증가시킨다고 말한다. 증가된 비용은 다른 전기 소비자가 더 지불해야한다.

많은 공동체와 주에서 net metering 향상을 위해 태양광 발전량 제한을 설정하는 것에 대한 논쟁이 있어 왔다. 태양광 발전에 있어서 전반적인 위험은 보조금 없이 경쟁하기 위한 준비가 안된 상태에서 태양광 발전을 위한 인센티브가 불공정하다는 인식이 점점 늘고 있는 것이다. 인센티브 비판론자도 주와 연방의 현행 인센티브가 갑자기 사라지면 태양광 산업에 치명상을 입힐 것으로 생각하고 있다.

사실, 세금 정책의 변화가 얼마나 태양광 사업이 보조금에 의존하고 있는지를 알 수 있는 중요한 시험이 될 것이다. SolarCity의 Rive는 보조금 축소가 시장을 몇 년간 정체시킬 것으로 내다봤다. 그는 전기료가 싼 여러 주에서는 SolarCity는 더 이상 경쟁력이 없을 것이라는 것을 인식한다. 하지만, 그는 상대적으로 저가의 제품을 제공하면 그의 회사는 괜찮을 것이로 예측한다.


참고: http://www.technologyreview.com/review/540226/paying-for-solar-power/


2015년 10월 11일 일요일

SolarCity가 355W PV 모듈을 발표하다

SolarCity가 효율 22.04%이고 전력이 355W인 PV 모듈(1.61×1.81 m)을 개발했다. 이 모듈은 roof-top PV 시장에서 ‘next big thing’이 될 것이다. 

SolarCity의 모듈은 Silevo의 tunneling junction 셀로 만들었다.  



(Cu metallization과 스트링 연결 기술이 셀에서 스트링으로 손실이 적은 저가격 고효율 모듈을 가능하게 한다.)


SolarCity는 2015년 10월 내에 Silicon Valley에 있는 100 MW pilot line에서 이 모듈을 소량 생산할 예정이다. 


참고: http://www.pv-tech.org/news/solarcity_producing_pv_module_with_industry_record_22.04_efficiency_from_pi

2015년 10월 10일 토요일

더 큰 크기의 페로브스카이트 태양전지 효율 향상

페로브스카이트는 독특한 결정 구조의 물질인데 태양광 에너지 세계를 떠들썩 하게 하고 있다.

최근 효율 >20% 페로브스카이트 태양전지는 Si 태양전지와 경쟁할 수 있다는 것을 보여준다.   

하지만 상용화는 곧 바로 되기 어렵다. 왜냐하면 이 효율은 단지 0.1 cm2 크기의 셀에서 나온 것이기 때문이다.  

전통적인 방법으로 페로브스카이트 셀 크기를 키우면 페로브스카이트 막내에 결함이 증가해서 효율이 떨어진다.  



Brown 대학과 NREL(National Renewable Energy Lab) 팀은 Padture’s lab.의 Yuanyuan Zhou가 개발한 이전 방법을 개선하여 1 cm2 보다 더 큰 셀에서 효율 15% 얻었다. 

Yuanyuan Zhou가 개발한 페로브스카이트 막 형성 방법은 다음과 같다. 페로브스카이트 전구체를 용매에 용해시켜 기판에 코팅한다. 그 다음 그 기판을 제 2 용매(anti-solvent)에 담근다. 여기서 제 2 용매는 선택적으로 전구체 용매를 붙잡거나 털어낸다. 결국 매우 평탄한 페로브스카이트 결정 막이 남는다. 

개선된 공정은 유기 전구체를 과잉 첨가하는 것이다. 그러면 처음부터 작은 페로브스카이트 결정이 서로 붙게되어 열처리 동안 더 큰 결정으로 병합되기 쉬워진다. 초과 전구체는 열처리 동안 타서 없어진다. 

평탄한 페로브스카이트 막에다 결정 크기 까지 증가시키면 결합이 거의 없는 막을 얻을 수 있다. 


참고: https://news.brown.edu/articles/2015/10/perovskite

2015년 10월 3일 토요일

그래핀이 전면 접촉인 Si/페로브스카이트 탠덤 태양전지

HZB 팀은 손상되기 쉬운 페로브스카이트 층 위에 그래핀을 코팅하는 우아한 공정을 개발했다.

Si은 주로 태양광 스펙트럼의 적색 영역을 효과적으로 전기 에너지로 변환시킨다. 반면 청색 영역은 부분적으로 열로 손실된다. 이 손실을 줄이기 위해 Si 태양전지를 청색 영역을 주로 변환시키는 추가 태양전지와 결합시킨다. 



HZB 팀은 탠덤 셀에 대한 폭 넓은 경험으로 페로브스카이트 물질(밴드갭 ~1.6 eV)이 Si(밴드갭 1.12 eV)에 효과적인 보완책이 된다는 것을 알았다. 

하지만, 페로브스카이트 층 위에 투명 접촉을 성능 저하없이 형성하기는 매우 어렵다. 스퍼터 ITO가 무기 Si 태양전지에 일반적으로 사용되지만 이 기술은 페로브스카이트 셀의 유기 성분을 파괴시킨다. 

그들이 한 일은 페로브스카이트 층에 고르게 그래핀을 덮는 공정이다.

1000도, 메탄 분위기로 부터 Cu 호일 위에 그래핀 성장을 촉진한다. 그래핀이 갈라지지 않도록 폴리머를 코팅한다. Cu 호일을 에칭한다. 보호된 그래핀 필름을 페로브스카이트 층에 전사한다. 전사 공정은 보통 물에서 이루어진다. 이 단계를 그대로 페로브스카이트에 적용하면 절대 안된다. 페로브스카이트는 수분에 취약하기 때문이다. 그래서 그들은 다른 액체에서 전사 공정을 진행했다. 


이후 측정은 그래핀 층이 여러면에서 이상적인 전면 접촉이라는 것을 보여줬다. 

매우 높은 투과율 덕택에 이 층에서 태양광 에너지 손실은 없다. 그런데 주요 장점은 스퍼터 ITO 층에서 일반적으로 보이는 Voc 감소가 없다는 것이다.

참고:http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14324;sprache=en;typoid=3228 


Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트 태양전지 성능 저하 원인 분석

최근 효율 20.1% 유기금속 trihalide 페로브스카이트(MAPbI3) 태양전지가 보고 됐다. 이는 과학자들이 이 물질 시스템의 물리적 이해에 집중케 했다. 

유기금속 trihalide 페로브스카이트는 직접 밴드갭 물질이며 높은 광학 흡수를 가진다. 또한 큰 유전상수로 인해 exciton 결합에너지가 작다. 긴 광여기 캐리어 수명과 deep level 결함이 없고 매우 작은 Urbach energy를 갖는다. 

Qing Shen 그룹은 캐리어 수명, 전하 분리, 그리고 전하 재결합 다이나믹스가 유기금속 trihalide 페로브스카이트 태양전지 성능에 미치는 영향을 연구했다. 


TiO2/Spiro-OMeTAD 계면에서 재결합 감소는 효율 향상에 중요한 요소이다. 이 재결합을 줄이기 위해 TiO2 표면 패시베이션과 계면 엔지니어링이 고안되고 있다. 

이 태양전지의 효율을 더 증가시키기 위해 근적외선 스펙트럼 까지 더 많은 광 포획을 시도하고 있다. 


(Photoacoustic(PA)기술을 이용한 MAPbI3와 Sn/Pb 칵테일 MASn0.5Pb0.5I3 페로브스카이트의 광흡수 스펙트럼. 밴드갭과 Urbach 에너지는 MASn0.5Pb05I3 페로브스카이트는 1.21 eV와 34 meV이고 MAPbI3 페로브스카이트는 1.52 eV와 22 meV이다)


Shuzi Hayase 교수는 CH3NH3SnxPb1-xI3 형태의 ‘Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트’ 물질을 통해 1060 nm까지 태양광을 흡수할 수 있었다.

하지만, Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트 태양전지의 효율은 10%보다 낮다. Voc와 FF가 낮은 것이 효율 저하의 원인이다.




(일반적인 광전지 재료에 대한 Urbach 에너지(E0) 함수로서 (Eg/q)-Voc. MAPbI3 대비 MASn0.5Pb0.5I3의 더 큰 Voc 손실은 MASn0.5Pb0.5I3의 더 큰 Urbach 에너지 때문이다.)



(Pb 페로브스카이트와 Sn/Pb 페로브스카이트 태양전지의 전형적인 캐리어 이동과 재결합 다이나믹스. Pb/Sn 칵테일 페로브스카이트 태양전지의 낮은 효율은 TiO2와 P3HT 계면 사이에서 빠른 재결합이 원인으로 밝혀졌다. 이 빠른 재결합은 pinhole-free 페로브스카이트 막을 만들면 억제될 수 있다) 


Shen은 Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트 물질의 특성을 분석했다. 초기 결과로서 더 좋은 태양전지는 비방사 재결합을 줄여야 만들어진다는 것을 알았다. 비방사 재결합 감소는 Pb/Sn 페로브스카이트의 결정 품질 향상과 TiO2/Sn/Pb 페로브스카이트 계면의 적당한 패시베이션, 그리고 pinhole-free 페로브스카이트 막으로 달성될 수 있다.  

참고: http://phys.org/news/2015-09-organometal-trihalide-perovskite-solar-cells.html