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 독립 행정법인 일본 물질재료 연구기구(NIMS) 태양광 발전 재료 유니트는 독립 행정법인 과학기술 진흥기구(JST)의 전략적 창조 연구 추진 사업(CREST) 연구 영역 "태양광을 이용한 독창적 청정 에너지 생성 기술의 창출" 연구과제 "색소 증감형 태양전지에서의 디바이스 물성에 관한 연구"에서 색소 증감형 태양전지의 세계 최고 효율을 갱신했다. 색소 증감형 태양 전지의 최고 에너지 변환 효율은 2006년 이후 11.1%에 머물고 있었는데, 이번에 전지의 단락 전류 밀도와 개방 전압을 모두 향상시킴으로써 변환 효율 11.4%까지 향상시키는 데 성공했다. 국제 표준 시험 기관의 공식적인 자료로 세계 최고 수치이다.
이번에 색소 증감형 태양 전지의 세계 최고 변환 효율의 갱신은 색소 증감 작용을 충분히 발휘할 수있는 신규 재료 (증감 촉진제)을 개발한 것에 기인한다. 이 증감 촉진제를 색소 증감 태양 전지에 적용함으로써 전지의 가시 광선 영역의 외부 양자 효율이 80% 정도 향상해 큰 단락 전류 밀도를 얻을 수 있었다. 동시에 개방 전압도 향상되었다. 기존과 다른 이 증감 촉진제를 사용하여 변환 효율 기록 갱신이 실현된 것이다.
향후에는 촉진제가 TiO2의 색소 흡착 상태 또는 배터리 내부의 전하 이동기구에 미치는 영향을 확인해 원리의 해명을 실시한다. 그에 따라 보다 효과적인 증감 촉진제를 개발함으로써 높은 변환 효율을 목표로 한다. 이번 연구 성과는 2011년 가을 제72 회 응용 물리학회 학술 강연회 (8월 29일)에서 발표될 예정이다.
[연구 배경]
지구 규모의 환경 에너지 문제와 더불어 지난 3월에 일어난 동일본 대지진에 따른 원전 사고를 계기로 깨끗하고 재생 가능한 에너지 중 하나인 태양광 발전이 주목을 받고 있다. 실리콘 태양 전지는 이미 상품화되어 있지만, 기존의 에너지원(석유, 석탄 등을 이용한 화력 발전)과 비교해 제조 공정에서 고온과 높은 진공 장치를 필요로하기 때문에 그 발전 비용이 높다는 문제가 있다. 태양 전지의 비약적인 보급 확대를 실현하기 위해서는 새로운 재료를 이용한 저비용의 차세대 태양 전지 개발이 필수적이다.
색소 증감 태양 전지는 전도성 투명 전극(TCO 전극), 빛을 흡수하는 역할을 담당하는 색소가 흡착된 산화 티타늄(TiO2) 등의 다공질 반도체 층, 요오드계 전해질, 반대극으로 구성되어 있다.(그림1) 색소 증감 태양 전지는 TiO2, 색소, 요오드계 전해질 등 자원적인 제약이 적은 저렴한 재료를 이용하고 고온 진공 프로세스가 필요하지 않으며, 스크린 인쇄로 대량 생산이 가능하기 때문에 발전 비용을 크게 낮출 수 있다.
색소 증감 태양 전지가 스위스 로잔 공대(EPFL)에서 1991년에 제안된 이후, 색소 개발과 광 격리 효과가 향상됨에 따라 공인 효율은 1997년 EPFL의 변환 효율 10.4%, 2006년 샤프의 11.1%로 인정되어 왔다.(그림2) NIMS에서는 3년 전부터 색소 증감 태양 전지 연구를 시작해 태양 전지의 셀 구조와 색소, 다공성 반도체, 전해질 등의 구성 재료를 바꾸면서 TiO2 표면에 흡착된 색소의 전자 상태, 배열 상태와 같은 원자 분자 수준의 "표면 과학"에서 전류 및 전압 등의 전기적 거동을 포함한 다이오드 특성, 반도체 물성 등의 "장치 물리"에 이르기까지 작동 원리를 해명하고 있다. 또한 그 원리 해명에 따라 재료 개발에 의한 색소 증감 태양 전지의 고효율화 연구를 실시해 왔다.
[연구 성과]
이 장치에서 색소 증감 태양 전지에서 국제적인 표준 시험 기관의 공식적인 자료로 11.4%의 세계 최고 효율을 달성했다.(그림3) 색소 증감 태양 전지로는 5년 만의 기록 갱신이다. 이 유니트는 TiO2 표면의 색소 흡착 상태를 시뮬레이션함으로써 더 잘 흡착되는 상태로 만들기 위한 새로운 증감 촉진제를 개발했다. 그 증감 촉진제를 이용해 400nm에서 800nm까지 가시 광선 영역의 외부 양자 수율을 향상시키는 데 성공하고 단락 전류 밀도를 향상시킬 수 있었다. 또한 이 증감 촉진제에 의해 개방 전압이 향상된다는 것도 알게 되었다. 신규 증감 촉진제를 이용한 태양 전지에 대해 유사 태양광 AM 1.5G (100 mWcm-2)의 조사 하에서 단락 전류 밀도 21.34mAcm-2, 개방 전압 0.743V, 필 팩터 0.722을 실측, 변환 효율(η) 11.4%의 달성을 확인했다.
[향후 전개와 파급 효과]
이번에 개발한 증감 촉진제에 의해 단락 전류 밀도와 개방 전압이 동시에 향상되어 색소 증감 태양 전지의 연구에 대한 새로운 시각이 열림에 따라 고효율화 연구가 더욱 가속화될 것으로 예상된다. 또한 증감 촉진제가 TiO2/색소/전해액 계면의 구조와 전하 이동에 어떤 영향을주는 것으로 단락 전류 밀도와 개방 전압이 크게 향상된 것으로 보인다. 앞으로 증감 촉진제의 역할을보다 분명히 해, 이 증감 촉진제의 개량을 통하여 TiO2 표면에 색소 흡착 상태와 계면 전하 이동을 제어할 생각이다. 그리고 변환 효율 15% 달성을 목표로 한다. 또한 이러한 성과를 민간 기업과 공동으로 실용화 연구를 적극 추진함으로써 화력 발전 수준의 비용 (7엔/kWh)를 실현하는 것과 동시에 태양 전지의 보급에 기여할 것으로 기대된다.
출처 : http://www.jst.go.jp/pr/announce/20110825/index.html
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