I. 제목
고체전해질 염료감응형 태양전지 개발(II)
II. 연구개발의 목적 및 중요성
석유에너지의 제한성과 환경오염에 대한 문제점으로 에너지자원에 대한 중요성이 나날이 증가해 가는 이때에 태양전지는 태양에너지의 무제한성과 친환경적인 자원으로서 이미 그 가능성을 입증 받고 있으며 그 중 염료감응형 태양전지는 저 가격과 고 효율성으로 중요성을 인증 받았다. 따라서 본 연구는, 염료감응형 태양전지의 연구에 바탕을 두고 mesoporous TiO₂ 물질을 전극물질로 사용한 효율의 향상과 고분자를 이용한 겔형 전해질을 제조하여 액체형 염료감응형 태양전지의 최대 약점인 액체누수와 용매증발의 전해질의 휘발문제를 해결하고 태양전지의 장기 안정성을 향상시키기 위한 연구이다.
태양광발전이 기존발전방식과 경쟁하기 위해서는 그 핵심인 태양전지의 저가 고효율화가 선결과제이다. 그 대안으로 원재료 사용을 최소화 할 수 있고, 대량생산 공정이 가능한 박막 태양전지 기술이 부각되고 있다. 현재 I-III-VI₂ 화합물 박막 태양전지는 19.5%의 최고 효율을 나타내고 있는데 이는 다결정 실리콘 태양전지에 버금가는 것으로 차세대 박막 태양전지로서의 가능성을 보여주는 것이다. 하지만 궁극적으로 화합물 박막 태양전지가 상용화되기 위해서는 효율이 25%는 되어야 한다. 2개 이상의 다른 밴드갭을 가진 광흡수층을 적층하는 탠덤 태양전지 구조를 형성하게 되면 태양빛 에너지의 손실을 최대한 줄여 보다 효과적으로 사용할 수 있게 되어 태양전지의 효율을 극대화 할 수 있다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
세부과제 1과 2는 무수 젤형 전해질로 이온전도도와 기계적 열적 특성이 우수한 고분자 전해질을 제조하기 위하여 모노머로서 butyl acrylate(BA) and acrylonitrile(AN)을 사용하여 co-polymer를 합성하였고 이에 iodide couple (I-/I₃-)을 첨가하여 염료감응형 태양전지용 고분자 전해질을 제조하였으며 이를 이용하여 염료감응형 태양전지를 제작하여 그 성능을 평가하였다. 또한, 상대전극 물질로 CNTs를 도입하여 염료감응형 태양전지에 적용시켜 그 특성을 분석하였다. 또한 올리고머와 광개시제의 조합을 선정하여 UV 경화형 고분자 전해질을 개발한다. 개발된 UV/열 경화형 고체전해질을 사용하여 고성능 고체형 염료감응태양전지 (solid state dye sensitized solar cell, DSSCs)를 개발한다. 또한 제조된 전극물질과 전해질의 전기적 특성을 분석하고 이를 DSSCs의 성능향상에 적용한다.
세부과제3은 LG/Mo/CIS(CuInSe₂)/CdS/ZnO/Al로 대표되는 기존의 Low Bandgap (밴드갭 : 1.0 eV) I-III-VI₂계 화합물태양전지와 유사한 구조를 가지되 에너지 밴드갭 1.4 eV ~ 1.8 eV를 가진 광흡수층 소재를 개발하는 것이 가장 첫 번째 과제이다. 그 다음은 이 소재를 광흡수층으로 한 고효율의 태양전지를 개발하고, 그에 따른 최적 제조공정을 규명하는 것이 본 연구의 주요 내용이다. 따라서 본과제에서는 CIS에서 In을 Ga으로 치환한 CuInGaSe₂(CIGS)을 광흡수층으로 하는 태양전지를 그 대상 소재로 하였다. 또한 진공증발법 및 스퍼터링 공정을 이용한 와이드 밴드갭 물질 합성을 그 내용으로 하였다.
태양전지를 구성하는 각 단위박막의 제조설비를 구축하고, 이어서 각 단위박막의 조건을 분석하였다. 태양전지 단위박막을 적층하여 제조하였는데, 핵심인 광흡수층은 원소의 동시 진공증착법 혹은 스퍼터링 및 셀렌화 공정으로 제조하였다. 각 단위박막의 조건 확립을 위해 각종 성능을 측정 평가하였고, 최종 결과물인 태양전지는 변환효율을 측정하여 그 성능을 평가하였다. 그리고 본 과제를 통하여 와이드 밴드갭 태양전지의 효율 10%를 목표로 설정하였다. 또한 4단자형 탠덤구조 태양전지 제조를 위한 투명전극을 이용한 와이드 밴드갭 태양전지를 제조하였다.
IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
세부과제 1과 2에서는 제조된 고분자 전해질을 적용시킨 염료감응형 태양전지는 1 sun(100 mW/㎠)기준에서 Voc 0.646 volt , Isc 11.43 mA/㎠ 그리고 60.6%의 fill factor를 나타내었고, 총 에너지 변환 효율은 4.48%로 측정되었다. 이는 전년도 (1차년도)의 성능인 3.03%에 비하여 그 성능이 33% 향상된 것으로 나타났다. 또한 상대전극으로 도입한 CNTs를 사용한 경우 Isc 는 12.55 mA/㎠, Voc 는 0.675 volt 그리고 fill factor는 45%로 낮게 측정되었으며, 총 에너지 변환효율은 3.78%로 CNTs 물질을 상대전극 물질로 사용 가능성을 보여주었다. Polyethylen oxides와 Urethane-based UV경화 겔형 고분자 전해질은 2 ~ 4 × 10-3 Scm-1 의 이온전도도를 나타내었다. 제작된 염료감응형 태양전지는 90℃에서 안정적이었으며, 표준조건(AM Global 1.5 (100 mW/㎠))에서의 광전변환효율 7.6%이었다. 고체 전해질 염료감응형 태양전지는 연구 개발을 거듭하여 곧 액체전해질과 비슷한 효율을 보일 것으로 기대되어진다. 이러한 기술은 DSSCs의 상업화에 적응될 수 있을 것으로 기대된다.
세부과제3에서는 Wide bandgap 박막태양전지기술개발을 위해 소재 합성 및 태양전지 제조를 위한 설비 구축하였다. 세부내용으로 광흡수층 제조를 위해 Effusion cell을 이용한 Cu, In, Al, Ga, Se 5개 원소 동시 증발 장비 구축, 기판온도 모니터링 시스템 구축, Mo 이면전극, ZnO 투명전극 제조를 위한 DC, RF-Sputter, E-beam, Evaporator 구축, Buffer 층 증착을 위한 chemical bath deposition system을 구축하였다. 단위박막 최적화를 통한 와이드밴드갭 태양전지 효율 개선으로 Mo 및 ZnO 박막 특성 최적화, SLG/Mo/CIGS/CdS/ZnO/Al 태양전지 제조 및 성능 측정 평가하여 Eg = 1.4~1.6eV, 변화 효율 : 10.5 %, 유효면적 0.44 ㎠ 의 결과를 얻었다.
투명전극을 이용한 와이드 밴드갭 태양전지 개발로서 SnO₂ 전극을 이용한 와이드밴드갭 CIGS 박막 태양전지를 제조하여 Eg = 1.4~1.6eV, 변화 효율 : 4.3 %, 유효면적 . 0.44 ㎠의 결과를 얻었다. 활용방안으로는 고효율 Wide bandgap 태양전지 제조, 4-terminal, 2-terminal 탠덤구조 태양전지 제조, 저가 고효율 화합물 박막 태양전지 모듈화에 활용될 수 있다.