초록 ▼

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 ($I^-/I_3^-$)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.

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 ($I^-/I_3^-$)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, DSSC)를 개발한다. 또한 제조된 전극물질과 전해질의 전기적 특성을 분석하고 이를 DSSCS의 성능향상에 적용한다.
세부과제3은 LG/Mo/CIS($CuInSe_2$)/CdS/ZnO/Al로 대표되는 기존의 Low Bandgap (밴드갭 : 1.0 eV) I-III-$VI_2$계 화합물태양전지와 유사한 구조를 가지되 에너지 맨드갭 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 $CuInGaSe_2$(CIGS)을 광흡수층으로 하는 태양전지를 그 대상 소재로 하였다. 또한 진공증발법 및 스퍼터링 공정을 이용한 와이드 맨드갭 물질 합성을 그 내용으로 하였다.
태양전지를 구성하는 각 단위박막의 제조설비를 구축하고, 이어서 각 단위박막의 조건을 분석하였다. 태양전지 단위박막을 적층하여 제조하였는데, 핵심인 광흡수층은 원소의 동시 친공증착법 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.

Abstract ▼

For the enhancement of ion conduction and mechanical properties of polymer electrolyte in DSSC, copolymer electrolyte materials were prepared from butyl acrylate(BA) and acrylonitrile(AN) monomers matenals by heat treatment ($60^{\circ}C$ & $80^{\circ}C$) method. Thus synthesiz

For the enhancement of ion conduction and mechanical properties of polymer electrolyte in DSSC, copolymer electrolyte materials were prepared from butyl acrylate(BA) and acrylonitrile(AN) monomers matenals by heat treatment ($60^{\circ}C$ & $80^{\circ}C$) method. Thus synthesized materials were used solid electrolyte for DSSCs fabrication and characterized the physical, chemical, mehcanical and PV properties. Counter electrode materials were prepared by using carbon nanotubes (CNTs) and characterized its electrochemical properties.
UV hardening polymer electrolyte were prepared with selected couple of oligomer and photo-initiator Thus prepared materials were characterized. DSSCS fabricated with these materials were tested and characterized.
The most important task is to develop appropriate absorber material based on I-III-$VI_2$ chemical compound with a bandgap in the range 1.4 - 1.8 eV, which can be used for thin film solar cells which has the same typical structure as low bandgap(about 1.0 eV) solar cells - Glass/Mo/CIS($CuInSe_2$)/CdS/ZnO/Al. In order to increase bandgap energy of CIS-based absorbers, this year study targeted CGS ($CuGaSe_2$) and wide-gap $CuInGaSe_2$(CIGS) which can fabricated by adjustment of Ga composition in the CIGS layers. Our choice on fabrication process of wide bandgap absorber are co-evaporation of elements and two step process, which consist of sputtering of metal element and selenization. Optimization of fabrication process for absorber layer and the other unit layers was studied by varying experimental conditions. Various properties on unit thin films were measured and analysed. The performance of final product - solar cells - was evaluated through the measurement of I-V curve. With the development of optimized absorber materials, this study aims at the achievement of 10% conversion efficiency and fabrication of wide bandgap CIGS on transparant back contact this year. The details are listed as follow. Improvement of conversion efficiency by optimization of unit layer: Modification of crystallographic property of CIGS absorber by optimization of Mo layer, Optimization of ZnO property, Development of high efficiency wide bandgap CIGS solar cell. Development of wide band gap CIGS solar cell on transparent back contact: Deposition of CIGS absorber by means of substrate monitoring, Band-gap energy control by adjustment of Ga composition.

목차 Contents

• I. 고체전해질 염료감응형 태양전지 개발 ...23
• 제 1 장 서론 ...25
• 제 1 절 연구 개발의 필요성 ...25
• 1. 사회.문화적 측면 ...25
• 2. 경제.산업적 측면 ...27
• 3. 기술적 측면 ...30
• 제 2 절 연구개발의 목표 및 내용 ...31
• 1. 연구개발의 목표 ...31
• 2. 연구개발의 범위 ...32
• 제 3 절 국내외 기술개발 현황 ...33
• 1. 기술 개발 현황 ...33
• 2. 국내.외 기술개발현황에 미치는 영향 ...34
• 제 2 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ...35
• 제 1 절 연구내용 ...35
• 1. 염료감응형 태양전지의 원리 ...35
• 2. 고분자 전해질 ...36
• 제 2 절 실험적 접근 ...37
• 1. 실험 방법 ...37
• 가. Carbon nanotubes 나노 필러를 적용한 Polyethylene oxide(PEO) 고분자 전해질의 제조 ...37
• 나. 염료감응형 태양전지의 제작 ...39
• 다. 고분자 전해질 및 태양전지의 특성평가 ...40
• 라. 제조한 고분자 전해질을 적용한 모듈의 제작 ...41
• 제 3 절 연구 결과 및 고찰 ...43
• 1. 전년도 연구결과 요약 ...43
• 가. 1차년도 ...43
• 나. 2차년도 ...46
• 2. 당해연도 Nanocomposite 고분자 전해질의 연구결과 ...48
• 가. XPS 분석 ...48
• 나. FE-SEM 분석 ...49
• 다. AFM 분석 ...50
• 라. TGA 분석 ...51
• 마. 광전류-전압 특성 분석 결과 ...52
• 바. 고분자 전해질을 이용한 염료감응 전해질의 안정성 테스트 ...53
• 사. 고분자 전해질을 이용한 모듈 특성분석 결과 ...54
• 제 3 장 결론 ...56
• 제 4 장 연구개발 결과의 활용계획 ...57
• 참고문헌 ...58
• II. 유기태양전지용 UV경화 고분자 전해질 개발 ...59
• 제 1 장 서론 ...61
• 제 1 절 개요 ...61
• 제 2 절 연구의 필요성 ...61
• 제 3 절 연구의 목표 및 범위 ...63
• 제 2 장 연구개발 수행내용 및 결과 ...64
• 제 1 절 연구결과 및 고찰 ...64
• 1. 졸겔 연소복합법에 의한 나노입자 $TiO_2$ 합성 및 염료감응형 태양전지적용 ...64
• 2. 졸겔 연소복합법에 의한 나노입자 $Yb^{3+}$, $Er^{3+}$ 도핑된 $TiO_2$ 합성 및 염료 감응형 태양전지 산란층 적용 ...70
• 3. 고효율 전해액 ...76
• 4. 고온 안정성 전해액 ...78
• 5. 고전압 전해액 ...81
• 6. UV 경화 젤형 고분자 전해질 ...83
• 가. PEO형 3차원 고분자 네트워크 ...84
• 나. Urethane형 고분자 네트워크 ...85
• 다. UV 경화형 고분자 전해질 적용 DSSC 제작 ...86
• 라. UV 경화형 고분자 전해질 적용 염료태양전지 성능 측정 ...88
• 7. 산란층 포함 UV 경화 젤형 고분자 전해질 ...91
• 제 3 장 결론 ...94
• 제 1 절 결과 ...94
• 제 2 절 활용 방안 및 기대 효과 ...94
• 1. 기술적인 측면 ...94
• 2. 경제적인 측면 ...95
• 3. 활용방안 ...95
• 참고문헌 ...96
• III. 탠덤구조 화합물 와이드 밴드갭 박막태양전지 기술 개발 ...97
• 제 1 장 서론 ...99
• 제 1 절 화합물 와이드 밴드갭 박막 태양전지 연구의 필요성 ...99
• 1. 탠덤 구조 태양전지 ...99
• 2. CIS 계 화합물 탠덤구조 태양전지 ...101
• 3. 에너지 밴드갭에 따른 CIS 계 화합물 태양전지의 활용 ...103
• 제 2 절 화합물 와이드 벤드갭 및 탠덤구조 박막태양전지 연구동향 ...105
• 계 2 장 화합물 와이드 밴드점 박막 태양전지의 제조 및 특성 평가 ...109
• 제 1 절 기판온도 모니터링 시스템 ...109
• 1. 기판온도 모니터링의 원리 ...109
• 2. 기판온도 모니터링 시스템의 구성과 적용 ...110
• 제 2 절 단위박막 및 태양전지 제조공정 ...111
• 1. Mo 이면전극 제조 ...112
• 2. co-evaporation 법에 의한 광흡수층 제조 ...113
• 3. CdS 완충층 제조 ...114
• 4. ZnO 투명전도막 ...115
• 제 3 절 태양전지 특성 평가 ...115
• 1. 단위 박막 물성 분석 ...115
• 2. 태양전지 광전압 특성 평가 ...115
• 제 3 장 동시진공증발법을 이용한 와이드 밴드갭 CIGS 태양전지의 광전압 특성 ...117
• 제 1 절 Mo 박막 특성에 따른 광흡수층 결정 구조 ...117
• 제 2 절 Three stage process 공정 최적화 및 와이드 밴드갭 태양전지 개발 ...122
• 제 3 절 투명전극을 이용한 와이드 밴드갭 CIGS 박막 태양전지 ...127
• 제 4 장 결론 ...130
• 참고문헌 ...131
• [그림 1- 1] 월평균 국제 유가 추이 ...27
• [그림 1- 2] 태양광발전 시장 전망 ...28
• [그림 1- 3] 한국 태양광 발전의 경제성 확보 시기 ...28
• [그림 1- 4] Variation of insolation and generated electricity from sunup to nightfall on April 16 for the DSC modules and the Si module. Output power is converted as a 1kW module ...29
• [그림 1- 5] Example of generated electricity for (a) clear and sunny days, (b) cloudy days between December and July for the DSC modules and the Si module. Output power is converted as a 1kW module ...29
• [그림 1- 6] Structure and Energy transfer mechanism of DSC ...31
• [그림 1- 7] Principle of the DSCs ...35
• [그림 1- 8] Principle of the solid-state DSCs ...36
• [그림 1- 9] Plastic-based flexible DSSCS in America Konarka ...37
• [그림 1-10] CNTs-PEO 제조 과정 ...38
• [그림 1-11] The schematic diagram of dye-sensitized solar cells with CNTs-PEO nanocomposite electrolyte ...38
• [그림 1-12] The schematic diagram of a typical dye-sensitized solar cell with (a) surfac image and (b) cross-section image; (c) the real surface image ...40
• [그림 1-13] Experimental set-up for I - V curve characterization ...41
• [그림 1-14] 염료의 흡착 과정 ...42
• [그림 1-15] 염료가 흡착된 Working Electrode ...42
• [그림 1-16] Working Electrode 및 Sealing sheet, Counter electrode의 결합을 통한 Fabrication ...43
• [그림 1-17] $N_2$ adsorption and pore distribution ...43
• [그림 1-18] TGA of Polyethylene glycol methyl ether nanocomposite electrolyte ...44
• [그림 1-19] I-V of DSCs fabricated with nanocomposite polymer electrolyte (Area: $0.25cm^2$ & Irradiance: $100mw/cm^2$) ...45
• [그림 1-20] Structure of poly acrylonitrile (PAN)-co-polybutyl acrylate (PBA) ...46
• [그림 1-21] 고분자 전해질의 온도에 따른 이온 전도도의 측정 ...47
• [그림 1-22] Photocurrent densities of DSSCS with the counter electrode of CNTs and Pt ...47
• [그림 1-23] XPS of CNTs-PEO electrolyte ...49
• [그림 1-24] FE-SEM Image of CNTs-PEO electrolyte ...50
• [그림 1-25] AFM hnage of CNTs-PEO electrolyte ...51
• [그림 1-26] TGA of various contents nanocomposite electrolyte ...52
• [그림 1-27] Photocurrent densities of DSCs with the various CNTs-PEO electrolyte ...52
• [그림 1-28] sealing 작업을 한 셀(a)과 sealing 작업을 하지 않은 단위 셀 ...53
• [그림 1-29] nanocomposite 전해질을 적용하여 제작한 염료감응형 태양전지 모듈 ...54
• [그림 1-30] I-V curve of PEGME, PAN-PBA, CNTs-PEO ...55
• [그림 2- 1] 액체전해질 염료감응 태양전지 ...63
• [그림 2- 2] 졸겔연소복합법에 의한 $TiO_2$ 합성과정 ...65
• [그림 2- 3] 열처리 온도에 따른 분말 사진 ...66
• [그림 2- 4] $TiO_2$ 합성을 위한 전구체의 열분석 결과 ...66
• [그림 2- 5] 온도를 변수로 합성한 다양한 분말의 XRD 결과 ...67
• [그림 2- 6] 합성 된 나노입자 $TiO_2$의 SEM 결과 ...68
• [그림 2- 7] 합성된 $TiO_2$를 적용한 염료감응형 태양전지 ...69
• [그림 2- 8] 제작된 염료감응형 태양전지의 전지효율 측정 ...69
• [그림 2- 9] 산란층 적용 전극의 구조 ...70
• [그림 2-10] $Yb^{3+}$, $Er^{3+}$ 도핑 된 $TiO_2$의 합성과정 ...71
• [그림 2-11] $Yb^{3+}$, $Er^{3+}$이 도핑된 $TiO_2$ 전구체와 도핑 되지 않은 전구체의 열분석 결과. (a) 도핑된 전구체, (b) 도핑되지 않은 전구체 ...72
• [그림 2-12] $700^{\circ}C$에서 합성한 $Yb^{3+}$, $Er^{3+}$이 도핑된 $TiO_2$와 도핑되지 않은 $TiO_2$의 XRD결과 ...73
• [그림 2-13] $Yb^{3+}$, $Er^{3+}$이 도핑된 $TiO_2$ (a)와 도핑되지 않은 $TiO_2$ (b)의 SEM 결과 ...74
• [그림 2-14] $Yb^{3+}$, $Er^{3+}$이 도핑된 $TiO_2$와 도핑되지 않은 $TiO_2$를 산란층으로 적용한 염료감응 태양전지의 성능 측정 결과 ...75
• [그림 2-15] 아세토니트릴을 용매로 사용한 최적조건의 전해질 적용 염료감응 태양전지 성능측정 ...77
• [그림 2-16] 첨가제별 고온 안정성 태양전지 성능 시험 결과 ...79
• [그림 2-17] 이중 첨가제 적용 염료감응 태양전지 성능 측정 결과 ...80
• [그림 2-18] 고전압 염료태양전지용 첨가제 ...82
• [그림 2-19] 전해질의 에이징 전과 후의 색깔변화 ...82
• [그림 2-20] 에이징에 의한 고전압 전해질 적용 염료태양전지 성능 측정 결과 ...83
• [그림 2-21] Polyethylene glycol diacrylate와 Trimethylolpropane triacrylate를 이용한 네트워크 ...85
• [그림 2-22] Polye urethane을 이용한 고분자 네트워크 ...85
• [그림 2-23] 염료감응형 태양전지 제작과정 ...86
• [그림 2-24] UV 경화 젤형 고분자 전해질 염료태양전지 제작과정 ...87
• [그림 2-25] 폴리머 양에 따른 젤형 전해질의 전도도 변화 ...88
• [그림 2-26] 우레탄 고분자 메트릭스와 W30전해액을 적용한 젤형 염료태양전지 성능측정 결과 ...90
• [그림 2-27] 산란물질을 적용한 겔형 고분자 전해질 구조 ...91
• [그림 2-28] 산란물질 적용 액체전해질 염료태양전지 성능 측정 결과 ...92
• [그림 2-29] 산란물질 적용 겔형고분자 전해질 염료태양전지 성능 측정 결과 ...92
• [그림 1- 1] 결정질 실리콘 태양전지의 손실요인 분석 ...100
• [그림 1- 2] 탠덤 구조의 Photon 이용률 ...100
• [그림 1- 3] I-III-$VI_2$ 화합물 탠덤 박막태양전지 구조 ...102
• [그림 1- 4] 첨가 원소에 따른 밴드갭 에너지 변화 ...102
• [그림 1- 5] 전산 모사에 의한 탠덤구조 밴드갭의 최적 조합 ...103
• [그림 1- 6] 밴드갭 에너지에 따른 CIS계 태양전지의 활용 ...104
• [그림 1- 7] I-III-$VI_2$화합물의 에너지 밴드갭 ...105
• [그림 1- 8] 미국의 High Performance Proeject 의 와이드 밴드갭 태양전지 연구동향 ...107
• [그림 1- 9] 일본의 AGU의 와이드 밴드갭 태양전지 연구동향 [7] ...107
• [그림 1-10] 탠덤 구조 태양전지 연구동향 ...108
• [그림 2- 1] 3단계 동시 진공증발 공정의 열이력 고선 및 상변화 모식도 ...110
• [그림 2- 2] CIS계 박막 태양전지 제조 공정 개략도 ...112
• [그림 2- 3] DC magnetron sputtering system 개략도 ...113
• [그림 2- 4] co-evaporation system의 개략도 ...114
• [그림 2- 5] WACOM WXS-1555-L2 인공태양 ...116
• [그림 3- 1] Mo 최적화 실험 방법 ...118
• [그림 3- 2] Ar 분압에 따른 CIGS 박막 결정성 ...118
• [그림 3- 3] Ar 분압에 따른 Mo 박막의 미세구조 ...119
• [그림 3- 4] Ar 분압에 따른 Mo 박막의 표면 거칠기 ...120
• [그림 3- 5] Ar 분압에 따른 Mo 박막 모식도 ...120
• [그림 3- 6] Ar 분압에 따른 MO/CIGS 딘RD 패턴 및 미세구조 ...121
• [그림 3- 7] Mo 박막에 따른 first stage후의 $(In,Ga)_2Se_2$의 미세구조 ...122
• [그림 3- 8] Three stage process의 열이력곡선 및 조성 변화 ...123
• [그림 3- 9] Ga/(In.Ga) 조성에 따른 단면 미세구조 (a) 0.18, (b) 0.22, (c) 0.27, (d) 0.34, (e) 0.64, (f) 0.78 ...124
• [그림 3-10] Ga/(In.Ga) 조성에 따른 태양전지 광전압 특성 ...125
• [그림 3-11] 와이드밴드갭 CIGS 박막 태양전지 광상태 전류-전압 곡선 ...126
• [그림 3-12] 와이드밴드갭 CIGS 박막 태양전지 분광응답곡선 ...126
• [그림 3-13] 4단자형 탠덤구조 태양전지 모식도 ...127
• [그림 3-14] $SnO_2$ 후면전극을 이용한 와이드 맨드갭 CIGS 박막 태양전지의 광상태 전압-전류 곡선 ...128
• [그림 3-l5] $SnO_2$ 후면전극을 이용한 와이드 밴드갭 CIGS 박막 태양전지의 분광응답곡선 광투과도 ...129
• [표 1- 1] 각국의 이산화탄소 배출량 및 변화율 ...25
• [표 1- 2] 에너지원별 세계 발전량 추이 ...26
• [표 1- 3] I-Y data of mesoporous substrate for DSCs ...44
• [표 1- 4] I-V data of nanocomposite polymer electrolyte for DSCs ...46
• [표 1- 5] Summary of I-V curve data ...53
• [표 1- 6] Summary of stability data ...53
• [표 1- 7] Summary of I-V curve data of modules ...55
• [표 2- 1] $Yb^{3+}$, $Er^{3+}$이 도핑된 $TiO_2$와 도핑되지 않은 $TiO_2$를 산란층으로 적용한 염료감응 태양전지의 성능 측정 결과 ...76
• [표 2- 2] 다양한 종류의 첨가제에 따른 의한 전지성능 변화 ...76
• [표 2- 3] 실험에 사용된 전해질 첨가제와 기대효과 ...78
• [표 2- 4] 고온 안정성 전해질 첨가제 적용 염료감응 태양전지 성능 변화 ...80
• [표 2- 5] 고온 안정성 전해질 이중첨가제 적용 염료감응 태양전지 성능 변화 ...81
• [표 2- 6] UV 경화형 고분자 전해질 네트워크 물질용 모노머 및 올리고머 선정 ...84
• [표 2- 7] PEO 올리고머 양에 따른 젤형 염료태양전지 성능변화 ...89
• [표 2- 8] 우레탄 올리고머 양에 따른 염료태양전지 성능변화 ...90