일본산업뉴스요약

첨단거점 해부
산업기술종합연구소 태양광발전연구센터
고효율로 3분의 1 비용 절감을 목표

산업기술종합연구소의 태양광발전연구센터는 태양광 발전 기술 개발의 핵심 연구 기관이다. 다양한 종류의 태양전지를 통해 발전 효율 향상 및 수명 연장, 신뢰성 평가 기술 개발 등을 추진하고 있다. 태양광 발전은 고정가격 매입제도의 재검토 및 해외 업체와의 경쟁 격화로 역풍을 맞고 있지만, 미래의 저탄소 사회 실현에 공헌할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.

「지금까지 이렇게 많은 종류의 태양전지를 다뤄온 연구소는 세계적으로도 드물다」라고 마츠하라(松原) 연구센터장은 말한다. 태양광발전연구센터에서의 연구 대상은 실리콘 사용량을 낮춘 박막 실리콘과 실리콘이 사용되지 않은 화합물계 및 유기계 등으로 광범위하다. 태양광 발전의 종류별 생산량을 보면, 2015년에는 결정실리콘이 94%의 압도적인 시장 점유율을 차지했다. 태양광발전연구센터는 이를 상회하는 성능의 태양전지를 만들고자 하고 있다.

2004년, 태양광 발전 관련 연구를 집결해 센터를 발족했다. 2013년에 신설된 재생가능에너지 연구센터(후쿠시마 현)로 결정실리콘 태양전지의 양산을 위한 연구를 이동시키는 등을 통해 현 체제로 거듭났다.

주요 연구 테마는 각 태양전지의 발전 효율 향상과 수명 연장이다. 신에너지∙산업기술통합연구기구가 내건 2030년까지 1킬로와트(kW)/h 당 발전 비용을 7엔으로 하는 목표 달성을 지향하고 있다. 현재는 1kW/h 당 24엔 정도로, 혁신적인 기술이 필요하다.

주목하고 있는 기술이 다접합 태양전지를 간단히 제작할 수 있는 독자적「스마트 스택(Stack)기술」이다. 다접합 태양전지는 다수 태양전지의 셀 축적을 통해 태양광의 다양한 파장을 흡수, 40% 이상의 변환 효율을 달성할 수 있다.

기존의 기술은 복수의 셀을 접합시키기 위해 표면의 기복을 1나노미터(nm) 이하로 설정할 필요가 있었다. 진공 상태에서 플라즈마 및 이온빔을 통해 표면 처리하는 공정 등을 위한 제작 비용이 높아, 주된 용도는 우주분야 등에 한정되어 있었다.

스마트스텍 기술은 태양전지셀의 표면에 유기 용매로 녹인 고분자 재료를 칠하고, 팔라듐 용액에 담근 뒤에 플라즈마 처리를 한다. 그 결과, 수 십nm 정도의 팔라듐 미립자가 셀 표면에 남아 셀 간을 서로 연결시키는 작용을 한다. 이것을 가중(加重)하면 다접합 태양전지가 되는 것이다. 4개의 셀을 접합해 시작(試作)한 전지의 변환 효율은 32%에 달했다. 첨단 다접합 디바이스팀의 칸타니(菅谷) 팀장은「저가의 셀을 접합한 초고효율 태양전지를 만들고 싶다」라며 의지를 보였다.

기반 연수를 중시하는 것도 센터의 특징이다. 마스다(増田) 부연구센터장은 수명 연장을 위해 태양전지 모듈의 신뢰성 평가를 담당하고 있다. 태양광 발전을 실용화할 때에는 인증 시험이 있다. 사용으로부터 5년 정도 지나 발생하는 초기 고장을 상정한 것으로, 오랜 기간에 걸친 실외 환경에서의 열화(劣化)는 재현이 불가능하다.

태양전지의 성능은 일반적으로 매년 약 0.5% 저하된다고 알려져 있다. 그러나 마스다 부센터장은「사용 개시부터 20년 이상이 되면 급격하게 성능이 저하될 것이다」라고 예측한다. 사용으로부터 20년까지는 배선 등의 열화에 따른 저하가 대부분이지만, 20년을 넘으면 태양전지 내부에 서서히 스며드는 수분으로 주변 필름이 분해되고 초산이 발생한다. 이로 인해 전극이 부식, 성능은 본래의 약 20%까지 저하될 가능성이 있다.

태양광발전연구센터는 독일의 프라운호퍼　연구기구와 미국 국립재생가능에너지 연구소와 연계협정을 맺고 있다. 4월에는 10억kW급의 태양광 발전이 실현되는 시대를 위해 3곳의 연구소가 정리한 논문이 미국의 사이언스 지에 게재되었다. 논문에서는 2030년의 세계의 누적 도입량은 30억kW를 넘지만, 기후 변동 대책으로서 공헌하기 위해서는 2040년까지 200억kW규모의 도입이 필요하다고 지적하고 있다.

마츠하라 연구센터장은「화석 연료 및 원자력에는 한계가 있다. 지구의 미래를 위해 태양 에너지를 유효하게 활용해야 한다」고 주장한다.

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