[신기술 소개] AIST, 실온 프로세스에서 필름형 태양전지를 제작 - 필름 형태로 변환 효율 8.0%를 달성 -

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Figure. 광반응성 분산제를 이용한 SWCNT 시판품의 정제 방법.

(왼쪽) 분산제가 흡착한 SWCNT는 초원심 분리로 불순물을 제거한 후에도 균일하게 분산되어 있다.

(오른쪽) 광조사에 의해 광화학 반응성 분산제를 분리하면 잠시 방치하는 것만으로 SWCNT가 침전된다.

출처: 2014.05.15 AIST(http://www.aist.go.jp/aist_j/new_research/2014/nr20140515/nr20140515.html) 작성: 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)

AIST, 실온 프로세스에서 필름형 태양전지를 제작 - 필름 형태로 변환 효율 8.0%를 달성 -

색소증감 태양전지는 그늘과 벽면 등 발전(發電)이 불리한 상황에서도 성능을 발휘할 수 있는 태양전지 이다. 필름형을 롤투롤(Roll to Roll) 방식으로 제작할 수 있게 되면 저비용ㆍ박형ㆍ경량ㆍ대면적ㆍ유연한 태양전지가 실현될 것이라 기대하고 있지만 아직 광범위하게 실용화되지는 않고 있다. 색소증감 태양전지 에서는 일반적으로 이산화티타늄을 포함한 페이스트를 기판에 도포한 것을 400∼500℃ 정도의 고온에서 제작하는데, 이 온도는 시판중인 유기 필름의 내열성보다 높기 때문에 필름형을 제작하기가 어려웠다.

연구진은 세라믹 입자가 상온에서 고화(固化)하는 ‘상온 충격 고화 현상’을 발견하고 이를 바탕으로 실온ㆍ 고속의 코팅 기술인 에어로졸 디포지션법(AD법) 기반 기술을 확립하여 치밀한 광투과율이 높은 세라믹 후 막 형성에 성공했다.

AD법은 원료 입자를 고속으로 기판에 충돌시키고 거기에서 발생하는 GPa 오더가 높은 압력에서 입자 간의 결합을 촉진시켜 성막하는 방법으로(그림), 가열 과정 없이 높은 강도를 갖는 막을 형성시킬 수 있다.

이 방법은 사용하는 원료 입자나 성막 조건으로 치밀한 막에서부터 다공 막까지 형성할 수 있다. 연구진은 이번 연구에서 이 AD법을 이용하여 계면ㆍ막 구조의 최적화 등을 통해 색소증감 태양전지용 반도체층에 적합한 이산화티탄 다공막을 만드는 데 성공, 색소증감 태양전지의 발전 성능을 확인했다. 발전 효율은 유 리 기판에서 9.2%, 필름 기판에서 8.0%(4 mm각, 100 mW/cm²)이었으며, 필름 기판을 이용한 색소증감 태양전지에서 세계 최고 수준의 발전 효율을 얻었다. 열 에너지 대신 입자의 고속 충돌 에너지에 의한 미립 자 결합 메커니즘을 이용함으로써 지금까지의 고온 소성 세라믹 형성 과정이 생략되어 실온에서의 필름화 에 성공했다. 내열성이 낮은 범용 필름이나 접착 테이프 같은 재료에도 성막할 수 있어 다양한 필름 기판을 이용한 색소증감 태양전지의 제조가 가능하게 되어 폭넓은 이용이 기대된다. 또 고온 공정이 생략되어 제 조 부하를 저감할 수 있으며, Roll to Roll화가 가능하여 생산성 향상에 의한 비용 절감이 기대된다.

KIC News, Volume 17, No. 3, 2014

KIC News, Volume 17, No. 3, 2014

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Figure. AD법에 의한 성막 모식도.

출처: 2014.05.01 AIST(http://www.aist.go.jp/Portals/0/resource_images/aist_j/aistinfo/aist_today/vol14_05/vol14_05_p16.pdf) 작성: 소 대 섭(한국과학기술정보연구원)

JST, 결정 성장 제어에 의해 효율적으로 전하가 흐르는 이상적인 구조의 유기박막 태양전지 실현

일본 과학기술진흥기구(JST) 연구의 일환으로 산업기술종합연구소(AIST)의 미야데라 테츠히코(宮寺哲 彦) 연구원 등은 유기 박막 태양전지의 개발에서 결정 성장 기술을 구사함으로써, 흡수한 빛 에너지를 효율 적으로 전하로 변환하고 효율적으로 전하를 꺼낼 수 있는 이상적인 구조의 발전층을 구축하는데 성공했다.

유기박막 태양전지에서는 양(+)의 전하를 운반하는 도너(doner) 재료와 음(-)의 전하를 운반하는 억셉 터(accepter) 재료가 랜덤으로 섞인 ‘벌크 헤테로 접합(bulk-hetero junction)’이라 불리는 구조가 주류를 이루고 있다. 랜덤으로 섞인 구조 때문에 그동안 발전층을 구성하는 각 재료의 결정 구조 및 섞이는 방법을 제어하기 어려워 발전 효율 향상의 걸림돌이 되었다.

연구진은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지에 흔히 쓰이는 결정 성장 방법을 벌크 헤테로 접합 구조의 유기 박 막 태양전지의 제작 방법인 ‘동시 증착법’에 처음 적용했다. 이때, 독자적인 연구로서 ‘비페닐비티오펜’이라 불리는 재료를 템플릿(거푸집) 층으로 하고 그 위에 도너 재료(아연 프탈로시아닌)와 억셉터 재료(플러렌) 을 동시 증착시켰다. 그 결과, 두 재료가 섞이는 방법이나 결정성을 제어할 수 있는 전하가 효율적으로 흐 르는 이상적인 벌크 헤테로 접합 구조를 구축할 수 있었다. 개발된 방법에 의해 효율적인 전하 생성, 전하 취득이 실현되었으며, 광전변환 효율이 1.85%에서 4.15%로 약 2.2배 향상하는 것을 실증했다.

향후 본 방법을 다양한 유기 반도체 재료에 적용, 유기 박막 태양전지의 고효율화를 실현시킴으로써 유 연하면서 저가의 태양전지의 실용화가 가속될 것으로 기대된다. 본 연구 성과는 미국 화학회 발행의 ACS Applied Materials and Interfaces에 게재되었다(※발표논문 참조).