[신기술소개] 쇼와전공 등 3社, 대면적 고성능 플라스틱 태양전지 소자 개발

쇼와전공 등 3社, 대면적 고성능 플라스틱 태양전지 소자 개발

(주)펙셀테크놀러지즈(www.peccell.com)는 (주)후지모리공업(藤森工業, www.fujimori.co.jp/), (주)쇼와전공(昭和電工, www.sdk.co.jp/)과 공동으로 차세대 박막형 플렉시블 태양전지를 개발하 고, 고속 저비용의 인쇄 방식으로 제조가 가능한 플라스틱 색소증감형 태양전지 모듈의 대면적화 에 성공했다.

이 플라스틱 색소증감형 태양전지 소자에는 약 15 µm 두께의 나노결정 구조 산화티타늄 반도 체층을 발전층으로서 필름상에 막을 형성한다. 지금까지 산화 티타늄 반도체층의 성막에는 진공 조건 및 고온소성 등 때문에 대형설비가 요구되었지만, 펙셀사가 쇼와전공과 공동으로 개발한 특 수 페이스트를 사용함으로써 대형설비를 사용하지 않고 저비용의 상온과 비슷한 온도에서 인쇄 도공에 의한 반도체층의 성막이 가능해졌다. 한편 쇼와전공은 이 페이스트의 주원료인 산화티타 늄 고결정성 나노 입자를 펙셀사에 공급한다.

시험 제작된 태양전지의 특징은 높은 성능을 유지하면서 빛 투과성을 지니며, 얇은 필름상으로 창문이나 판넬 등에 응용하며, 컬러 디자인이 가공이 용이해서 다양한 색으로 디자인할 수 있다.

펙셀사는 이들 특수도포용 페이스트 및 투명전기 전도 플라스틱 필름 기판 등의 기술을 채용 한 집적형 태양 전지 모듈을 개발하고, 이와 함께 정밀한 봉지기술에 의해 모듈의 개구율(발전 가능한 면적이 전체의 면적에 차지하는 비율)을 종래의 약 80~90% 이상으로 비약적으로 개선하 여 발전 성능의 고성능화에도 성공했다. 또, 박막구조에 의해 전해액 등의 재료사용량을 절감하여 제조비용을 절약했다. 이번 개발한 경량 플렉시블 색소증감형 플라스틱 태양전지는 모듈 유니트 로 폭 0.8 m, 길이 2.1 m의 세계 최대 사이즈이며, 두께 0.5 mm, 1 m

당 800 g으로 태양전지로 서는 가장 가볍고 옥내에 설치해도 100 V 이상의 높은 전압을 출력한다. 본 제품은 2008년 2월 27일 도쿄에서 개최된 제1회 국제 태양전지전에서 일반에 공개되었다.

출처 : NIKKEI (2008.2.26)

소 대 섭 (KISTI)

새로운 고효율 색소증감 태양전지 개발

일본의 산업기술종합연구소(AIST) 스기하라 히데키(杉原 秀樹) 등은 태양광에 대한 광전변환 효율이 11.0%인 탠덤형 색소증감 태양전지를 개발했다. 연구팀은 비약적인 성능향상을 위하여 2 종의 색소증감 태양전지를 서로 포개어 상부 전지로 가시광영역의 빛을 흡수하고, 하부 전지로 근적외광으로부터 적외광을 흡수하는 탠덤형 색소증감 태양전지를 개발했다. 탠덤형에서는 상부 전지는 가시광을 흡수하고, 근적외광을 손실 없이 투과시킬 필요가 있다. 이번 탠덤형 전지개발로 인해 투명성이 높고 기전력이 큰 산화티타늄 전극의 제작에 성공하여, 탠덤형 색소증감전지의 상 부의 전지에 이용함으로써 탠덤형 전지의 고효율화를 달성했다.

2종류의 색소증감 태양전지를 Figure 1과 같이 조합시켜서 구성한 탠덤형 태양 전지는 짧은 파 장의 빛을 이용해서 높은 기전력(전압)을 발생하는 전지를 상부에, 장파장의 빛을 이용해서 전압 은 작지만 큰 전류를 발생하는 전지를 하부에 배치함으로써 태양광에 포함되는 에너지를 효과적 으로 전기로 변환할 수 있도록 하였다. 상부의 전지에 레드다이(N719), 하부의 전지에 블랙다이 (N749)이라 불리는 증감색소를 이용해서 탠덤구조의 색소증감 태양전지를 구성하고 상부에서 단파장측의 가시광 에너지를, 하부에서 장파장측의 적색과, 근적외광을 전기 에너지로 변환시 켰다.

탠덤형 색소증감 태양전지는 통상의 단(單)셀형 태양전지보다 광범위한 파장의 태양광을 효율 적으로 이용할 수 있어, 적외광을 흡수하는 신규 증감색소의 개발에 의해 단셀형을 대폭 능가하 는 광전변환 효율의 향상이 기대된다. 본 기술의 상세내용 2008년 3월 29일 고후시(甲府市)에서 개최되는 제75회 일본 전기화학회에서 발표된다.

태양광

Figure 1. 탠덤형 색소증감 태양전지의 개략도.

출처 : AIST (2008.3.4)

소 대 섭 (KISTI)

ACF 농축촉매연소장치(BACT-CCO)를 이용한 VOC 처리기술

다양한 산업공정에서 발생하는 휘발성유기화합물(VOC)은 대기중에서 다양한 광화학스모그 형 성을 비롯한 유해한 영향을 끼친다. 가장 일반적인 VOC 저감기술은 활성탄 흡착이나 축열식연 소기술(RTO), 미생물여과기술 등이다. 본 기술(특허 제0690441호)은 흡착기술과 촉매연소기술을 결합하여 복합유기용제 공정에 적용할 수 있는 농축촉매연소기술이다.

배출되는 VOC의 처리공정은 아래 그림과 같이 배출시설에서 VOC와 함께 배출되는 분진을 먼저 처리하기 위한 전처리 필터장치, VOC 흡착 및 탈착이 우수한 섬유상활성탄(ACF: Ac- tivated Carbon Fiber) 농축장치 및 저온(350 ℃ 이하)에서 VOC 처리효율이 우수한 촉매연소장 치로 구성되어 있다. 우선 VOC 가스를 250~350 ℃ 정도로 가열한 후, 촉매층을 통과시키면 VOC가 무해한 CO

와 H

O로 분해되면서 산화열이 발생된다. 촉매연소기술은 VOC 제거효율은 95% 이상을 유지할 수 있으며, 상대적으로 저온에서 운전되므로 질소산화물(Thermal NOx)의 발생을 방지할 수 있다. 본 기술에서는 수소과량 배출 현상을 제어할 수 있는 촉매를 적용하였으 며, 내구성 및 내피독성을 향상시켰다.

입상활성탄에 비하여 섬유상활성탄은 농축장치의 크기를 감소시킬 수 있고, 압력손실이 적어 송풍기 용량을 줄일 수 있다. 또한 상대적인 효율 향상으로 재생 주기가 증가하여 교체 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

출처: 첨단환경기술 2007/09 ((주)삼성물산)

조 영 민 (경희대)

활성탄의 이화학적 재생기술

삼성물산(주)에서는 파과된 활성탄을 물리화학적으로 재생하는 기술의 일환으로 식품첨가물로 가능한 NaOH (2~4%)와 에탄올(20~40%)을 재생용액으로 사용하여 80~100℃에서 12~24시간 반응시켜 재생하는 기술을 개발하였다. 본 기술의 장점은 기존의 열활성화(thermal reactivation) 방 법에 비하여 성능은 유사하게 나타나지만 운전이 용이하고, 시설비 및 유지관리비가 상대적으로 저렴한 것으로 알려져있다.

상세한 공정은 아래 그림과 같으며, 본 재생 공정에 사용되는 재생용액은 주정(ethanol 95%)과 50%-NaOH 용액, 수돗물을 2:0.8:7.2의 부피비로 배합하여 준비한다. 한편, 재생공정을 batch 형 식으로 운전하여 에탄올을 재회수하는 요오드가 흡착능 회복율 시험에서 활성탄의 흡착능 회복 율은 85~97%로 매우 좋은 것으로 판명되었다.

현장의 정수장을 대상으로 경제성 비교평가를 실시하였을 때, 신탄(new AC)과 기존의 재생 활성탄에 비하여 5분의 1 이하로 비용이 감소하는 것으로 밝혀졌다. 본 기술의 핵심은 파과된 활 성탄을 100 ℃ 이하의 저온에서 재생하고, 에탄올 용매를 응축시켜 회수하는 데 있다.

출처: 건설신기술등록표((주)삼성물산)

조 영 민 (경희대)

탄소나노튜브를 이용한 광발전

영국 옥스퍼드 대학(Oxford University) 연구진은 광여기된 반도체 유기 폴리머(photoexcited semiconducting organic polymer)와 단일벽 탄소나노튜브 사이에 에너지가 이동할 수 있다는 사 실을 발견했다. 이 결과는 유기태양전지의 효율을 향상시키기 위해서 단일벽 탄소나노튜브의 사 용이 가능하다는 것을 알게 되었다.

이 연구결과는 폴리머 광발전에서 나노튜브를 어떻게 사용해야 하는지를 보여준다고 옥스퍼드 대학의 클라렌돈 연구실(Clarendon laboratory)의 로빈 니콜라스(Robin Nicholas)는 말했다. 예를 들어 탄소나노튜브가 엑시톤(exciton)을 포획하고 탄소나노튜브가 장치의 잘못된 부분에 존재한 다면 태양전지의 특성에서 유해하게 될 수 있다.

연구진은 형광여기 매핑(photoluminescence excitation mapping)으로 알려진 스펙트럼 기술을 사용해서 에너지 이동을 관찰하였다. 폴리머 여기 파장(excitation wavelength) 기능으로 근적외 선 형광 강도를 기록하여서 두 개의 물질 사이의 직접적인 에너지 이동의 분명한 증거를 밝혔다.

연구진은 450∼550 nm의 범위의 여기 파장을 사용되었을 때 나노튜브로부터 발생된 방출이 테스 트 폴리머에서 존재한다는 사실을 발견했다. 이 스펙트럼 범위는 폴리머 물질의 광흡수와 매우 일치하지만 탄소나노튜브의 어떠한 전자전이(electronic transition)와는 일치하지 않았다는 것이 중요하다.

연구진은 광 여기된 폴리머가 에너지를 단일벽 탄소나노튜브로 이동시키고 그 결과로 나노튜 브의 밴드갭(bandgap)에서 전자-홀 쌍의 재결합을 이끌어낸다고 결론지었다. 이는 유기 광발전 의 단일벽탄소나노튜브의 제안된 역할인 전하 분리와 이송을 촉진시킨다는 것과 반대이다. 이 결 과는 단일벽 탄소나노튜브와 유기 광발전 연구의 결코 끝은 아니라고 연구진은 지적했다. 이것은 전하 분리를 생성하기 위한 나노튜브 직경과 폴리머의 올바른 결합을 제안할 수 있다. 또한 전하 분리는 전지 속에서 발생하는 전기장에서 다르게 될 수 있다.

단일벽 탄소나노튜브가 태양전지의 내부에서 행하는 역할과 관계없이 연구진은 탄소나노튜브 가 여전히 전지의 투명한 접촉층을 개발하는데 매우 중요할 것이라고 생각한다. 연구진의 궁극적 인 목적은 탄소나노튜브와 폴리머 반도체의 결합으로 이루어진 광발전 칩을 만드는 것이다. 이 연구결과는 Nanotechnology에 게재되었다.

출처: http://nanotechweb.org/

김 상 범 (경기대)

결함 없이 완벽한 실리콘 나노와이어

최근 원자 관점에서 완벽한 실리콘 나노와이어(silicon nanowires)가 제조되었다. 단원자 수준에 서 관찰해 보면 제조된 와이어는 어떠한 둔덕, 구부러짐 혹은 불완전성도 존재하지 않으며, 완벽 한 결정성을 지니는데, 벌크 실리콘보다 우수한 것으로 확인되었다. 이에 따라 나노와이어 어레이 는 평행하며, 각각의 와이어는 우수한 금속 전도체로 거동한다.

나노와이어는 나노전자소자 개발에 있어 중요한 역할을 담당하며, 현재 실리콘은 반도체 산업 및 기술에서 핵심적인 기능을 수행하고 있기 때문에 실리콘 나노와이어는 매우 중요하게 고려된 다. 몇몇 학자들은 실리콘 나노와이어가 대중화된 탄소 나노튜브를 따라잡을 것으로 생각하고 있 으며, 다양한 전자소자 응용 및 양자 컴퓨터에 이용될 것으로 전망하고 있다. 따라서, 직선이고, 동질이며, 평행하고, 원자 수준에서 매끄러운 나노와이어는 새로운 나노전자소자의 개발을 촉발할 것이다.

주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope)과 저에너지 x-선(low-energy x-rays) 빔 의 독립된 두 도구를 통해 나노와이어가 1.5 nm 직경의 실리콘 나노점(nanodots)으로 구성된다 는 것이 밝혀졌다. 나노점은 나노와이어로 자기 조립된다. 즉, 나노점이 많을수록 최대 31 nm까 지 긴 나노와이어가 제조된다. 가장 일반적인 길이는 10 nm이다.

한편 나노와이어에서 놀랄만한 성질이 관찰되었다. 와이어가 원자적인 완벽함을 지닐지라도, 와 이어는 직경방향에 대해 대칭성이 존재하지 않는다는 것이다. 다시 말해, 나노와이어의 한 면이 다른 면보다 짧다. 이와 같은 비대칭성이 발생하는 이유는 나노와이어가 성장된 은 표면 혹은 매 질에 기인한다. 보다 정확하게 말하면, 매질은 매우 얇은 두 층의 은으로 구성되는데, 각 층은 원 자 하나의 두께를 지니며, 두 층은 고랑의 형태를 구성하게 된다.

출처: Nano Lett., 8 (1), 271-275, 2008. 10.1021/nl072591y

김 상 범 (경기대)