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- 지금까지 태양 전지는 도체 트랙과 접점에 값비싼 은이 필요했다.
- 태E-모빌리티, 5G 기술 분야에서도 은이 점점 더 필요. 은 수요, 가격 증가
- 태양광 산업, 전 세계 광산에서 채굴되는 은의 약 15%를 처리, 제조가의 10% 차지
- 폴리머를 재활용 가능한 알루미늄으로 대체하는 데 성공

은 대신 구리가 태양 전지를 더 저렴하게 만든다.
새로운 광전지 재료는 공급 병목 현상 및 재활용 문제를 방지한다.

지금까지 태양 전지는 도체 트랙과 접점에 값비싼 은이 필요했다. 새로운 전기도금 공정은 이제 은을 값싸고 풍부한 구리로 대체하는 것을 가능하게 했으며 연구자들이 보고한 바와 같이 광전지 성능의 손실 없이 가능하다. 그들은 또한 이전에 코팅에 필요한 폴리머를 더 재활용 가능한 알루미늄으로 대체하는 방법을 찾았다. 광전지는 미래에 더 저렴하고 지속 가능해질 수 있다. 

▲ 은 대신 구리로 만들어진 도체가 있는 태양광 모듈 - 이것은 광전지를 더 저렴하게 만든다. ©PV2+

지붕, 발코니 또는 수직 모듈:
태양광 발전은 에너지 전환의 핵심이다. 전기 및 가스 가격 상승을 고려해 현재 태양 에너지는 호황을 누리고 있다. 무엇보다도 현대의 이종접합 태양전지는 결정질 실리콘과 비정질 실리콘의 초박막 층을 결합해 산업 생산에서 최고 수준의 효율성을 달성한다. 광전지의 잠재력도 고갈되지 않은 것으로 간주된다.

은이 광전지를 비싸게 만든다.

배송 병목 현상, 재료 부족 및 원자재 가격 상승이 태양 전지 생산에 영향을 미치지 않는다. 이것은 주로 도체 트랙과 접점에 필요한 은 때문이다. 태양광 산업은 이미 전 세계 광산에서 채굴되는 은의 약 15%를 처리하고 있으며 그 추세는 급격히 증가하고 있다. 그러나 E-모빌리티 또는 5G 기술과 같은 다른 분야에서도 은이 점점 더 필요하기 때문에 제한된 수량으로만 제공되는 이 귀금속에 대한 수요와 가격이 증가하고 있다.

은은 이미 태양광 전지 제조 가격의 약 10%를 차지하고 있다.
미래에는 이 점유율이 크게 증가해 태양광 산업이 느려질 수 있다. 이것이 프라이부르크에 있는 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE의 ​​연구원들이 값비싼 은을 더 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 재료로 대체할 방법을 찾고 있던 이유다. 그리고 그들은 ‘황금’을 발견했다.

전선 및 접점용 구리

Fraunhofer ISE의 ​​Markus Glatthaar는 "우리는 도체 트랙에 은 대신 구리를 사용할 수 있도록 하는 특수 전기도금 공정을 개발했다. 구리는 몇 배나 저렴하고 덜 희소하다. "구리는 충분하기 때문에 공급망이 더 짧고 국제 원자재 시장이나 외국 공급업체에 대한 가격 의존도가 줄어든다.“

팀이 설명하는 것처럼 은을 구리 리드 및 접점으로 교체하는 것은 광전지 성능을 희생시키지 않으며 사실 그 반대다. 구리 도체는 레이저 구조화 덕분에 두께가 19미크론에 불과하기 때문이다. 이 매우 작은 직경으로 인해 광 흡수 실리콘 층의 음영이 은색 트랙보다 적다. 이것은 성능과 궁극적으로 전력 생산량을 향상 시킨다.

▲ 광전지 모듈에 있는 구리 도체 트랙의 공초점 현미경 이미지. 도체 트랙의 균일한 반원 모양은 높은 전기 전도성을 보장한다. ©PV2+

폴리머 대신 재활용 가능한 알루미늄

 

두 번째 기술 혁신은 알루미늄을 마스킹 층으로 사용하는 것이다. 전해액에서 전기도금하는 동안 구리가 태양전지의 전체 표면을 덮지 않도록 하려면 코팅되지 않은 영역을 덮어야 한다. 일반적으로 이것은 비전도성 폴리머로 임시 코팅하여 수행된다. 그러나 이러한 특수 도료를 전문적으로 처리하는 것은 복잡하고 많은 폐기물을 발생시킨다.

Glatthaar의 팀은 이제 폴리머를 재활용 가능한 알루미늄으로 대체하는 데 성공했다. 알루미늄은 실제로 전도성이 있으므로 마스크로 적합하지 않다. 그러나 이것은 알루미늄이 변색되면 달라진다. 그러면 금속이 불과 몇 나노미터 두께의 절연 산화물 층을 형성한다. 연구원들은 알루미늄을 마스크로 사용할 수 있는 방식으로 이 산화 공정을 최적화했다.

"우리는 공정 매개변수를 적용하고 특수 전해질을 개발하는 데 성공해 알루미늄의 극히 얇은 고유 산화물 층이 절연 기능을 안정적으로 수행할 수 있도록 했다"고 Glatthaar가 설명했다.

2023년 초부터 파일럿 생산

이는 미래에 태양 전지를 보다 저렴하고 지속 가능하게 생산할 수 있음을 의미한다. 은에서 구리로, 폴리머에서 알루미늄으로의 이중 전환은 두 가지 이점이 있다. 즉, 태양 전지를 값비싼 은과 독립적으로 만드는 동시에 생산에 사용되는 재료의 재활용 가능성을 높인다. 재활용 가능한 재료인 구리와 알루미늄은 태양광 생산을 순환 경제에 한 걸음 더 가깝게 만든다.

Fraunhofer ISE의 ​​이사인 Andreas Bett는 "혁신적인 태양 전지는 재생 에너지의 미래 전력 공급을 위한 중요한 구성요소이며 태양광 산업에 시급히 필요한 활력을 줄 것이다"고 말했다. 유망한 기술을 더 빨리 시장에 출시하기 위해 연구소는 스핀오프 PV2+를 설립했다. Glatthaar와 그의 팀은 2023년 초에 산업 파트너와 함께 새로운 태양 전지를 위한 파일럿 생산을 시작하기를 바라고 있다.
출처: Fraunhofer-Gesellschaft

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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