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SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 연구개발과제의 개요 8
제1절 연구개발의 목적 8
제2절 개발기술의 필요성 8
제3절 연구개발의 범위 10
제2장 국내외 기술개발 현황 11
제1절 국외기술현황 11
제2절 국내기술현황 11
제3절 연구결과가 국내·외 기술개발현황에서 차지하는 위치 11
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 13
제1절 이론적 접근방법 13
제2절 실험적 접근방법 17
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 42
제1절 연도별 세부연구목표 달성도 42
제2절 연구개발 성과물 달성도 42
제5장 연구개발결과의 활용계획 45
제1절 추가 연구의 필요성 45
제2절 타 연구분야로의 응용성 45
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 46
제7장 참고문헌 47
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I. 제목
수직정렬된 TiO₂ 나노튜브 어레이를 이용한 염료감응 태양전지 개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
- Ti 박막, Foil 및 벌크 아노다이징 공정을 통해 균일한 수직 정렬된 TiO₂ 나노튜브 어레이 제작.
- 약 50nm의 기공크기 및 10㎛이상의 두께를 갖는 수직 정렬된 TiO₂ 나노튜브 어레이 제작 및 이식(transplant) 공정 개발.
- 수직정렬된 TiO₂ 나노튜브 어레이를 이용한 염료감응 태양전지 모듈 제작.
- 기존의 TiO₂ 나노입자를 사용한 염료감응 태양전지 대비 200% (효율/TiO₂층 두께)이상 향상된 효율의 염료감응 태양전지 개발.
III. 연구개발의 내용 및 범위
염료감응 태양전지의 전자 수집층은 15~20nm 크기의 TiO₂ 나노분말이 서로 3차원적인 연결이 되어 있으며, 대략 10㎛ 두께로 TiO₂ 나노 입자층이 구성되어 있다. 한편 전자 이동은 이런 나노 다공성 결정질 재료의 특성에 의해 제한되어지며, 두 개의 나노 입자 사이에 구조적인 불규칙한 연결에 의해 자유전자의 산란이 발생되며, 이로 인해 전자의 이동도가 감소하게 된다. 이와는 반대로, 규칙적이고 강하게 서로 연결된 나노 광전 양극은 전자의 산란을 감소시키고, 이동을 원활히 함으로써, 광전효과의 효율을 증대 시킬 수 있을 것으로 판단된다. 더 나아가, 기판과 수직정렬된 구조의 전자 수집층은 훨씬 우수한 특성을 보일 것으로 기대되어지고 있으며, TiO₂와 관련된 나노와이어, 나노로드, 나노튜브와 같은 나노구조 개발연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 기존 염료감응 태양전지의 단점을 해결하고자, 수직정렬된 TiO₂ 나노튜브 어레이를 전자 수집층으로 사용하여 염료감응 태양전지를 개발할 계획이며, 그 효율은 나노입자로 구성된 염료감응 태양전지 대비 200%의 효율을 목표로 하고 있다. 수직정렬된 TiO₂ 나노튜브 어레이는 수용액이나 글리세롤과 같은 전해액을 사용하여, Ti 벌크, Foil 및 박막을 아노다이징 공정을 수행하여 제작한다. Ti 벌크, Foil 및 박막으로 얻어진 TiO₂ 나노튜브 어레이는 F가 첨가된 SnO₂(FTO) 기판위에 각각 형성되거나 이식(transplant)되어 전자 수집층으로써의 역할을 수행하며, 또한 효율을 극대화하기 위해, TiCl₄ 및 MgO를 추가적으로 TiO₂ 나노튜브 어레이 위에 형성한다.
IV. 연구개발결과
Ti 박막, Foil 및 벌크 아노다이징 공정을 통해 균일한 수직 정렬된 TiO₂ 나노튜브 어레이 제작하였으며, 유기용매를 전해액으로 사용하여, 약 50nm의 기공크기 및 15㎛, 20㎛, 25㎛ 두께를 갖는 수직 정렬된 TiO₂ 나노튜브 어레이 제작하였고, 최적의 공정조건을 확립하였다. 또한 이를 Ti foil로부터 떼어내고, 다시 FTO/glass 기판에 이식(transplant)할 수 있는 공정을 개발하였으며, 이를 바탕으로 두꺼운 TiO₂ 나노튜브 어레이를 광전극으로 사용한 front-side illuminated solar cell을 제작할 수 있었다. 이렇게 제작된 염료감응 태양전지는 5.38%의 우수한 효율을 보여주었고, 나노입자를 사용한 염료 감응 태양전지 대비 약 1.5배의 효율향상을 관찰할 수 있었다. 또한 TiO₂ 나노튜브 어레이 표면에 산화물 박막을 증착시켜, 전자와 홀의 재결합을 억제하고, 염료흡착을 증대시켜, 효율향상을 꾀할 수 있었다.
V. 연구개발결과의 활용계획
전반적으로 태양전지 분야에 대한 기술개발은 에너지변환 효율 향상과 생산단가 감소라는 두가지 측면에서 이루어지고 있다. 우주산업과 같은 특수 목적에 사용되는 태양전지의 경우에는 가격보다는 에너지 효율을 높이기 위한 방향으로 기술개발이 이루어지고 있으나, 화석에너지를 대체하기 위한 차세대 에너지 개념의 태양전지는 제조단가를 낮추는 방향으로 기술개발이 진행되고 있다. 기존에 상용화되어 있는 실리콘 태양전지의 경우, 고가의 단결정 대신 저가의 다결정 및 비정질 실리콘 태양전지 개발에 관심을 가지고 연구가 진행되고 있으나, 아직도 공공전기 요금 수준인 1$/Wp 수준으로 낮추지 못하고 있는 실정이다. 따라서 제조단가의 획기적인 감소를 위해서는 염료감응 태양전지와 같은 새로운 체계의 저가형 태양전지가 필요하며, 이를 개선하여 에너지 효율을 높이는 연구는 차세대 대체에너지 개발에 매우 중요한 분야가 될 것이다. 본 연구에서 사용된 수직정렬된 TiO₂ 나노튜브 어레이를 사용한 염료감응 태양전지의 경우 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 매우 저가에 생산할 수 있음과 동시에 비슷한 수준의 에너지 효율을 달성할 수 있을 것으로 생각되는 바, 차세대 대체에너지중 하나인 태양전지 연구에 매우 중요한 역할을 담당할 수 있을 것으로 기대되며, 차세대 고효율 염료감응 태양전지에 대한 연구개발을 통해 국내외 특허를 확보하고, 이를 토대로 태양전지 기술 및 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 나노튜브(nanotube)는 그 용도가 매우 광범위하고, 우수한 특성이 있어서, 최근 나노와이어(nanowire), 나노막대(nanorod) 물질과 더불어 차세대의 신소재로 분류할 수 있다. 본 연구를 통해서, 밸브 메탈(valve metal)의 아노다이징 공정을 이용한 나노튜브 제작기술을 자체적으로 확보하고 축적할 수 있으며, 이런 연구개발을 수행함으로써 얻어지는 최첨단 기술의 확보 뿐 아니라, 향후 나노 재료의 제조 및 응용분야에 있어서 대한민국을 기술 선진국으로 발전시킬 원동력인 우수 인력을 양성할 수 있을 것으로 판단된다.
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