초록 ▼

1. 최종목표
? $TiO_{2}$ 나노선 기반 염료감응 태양전지 전극재료 대량 제조기술 개발
: 전기 면저항 < 10Ω/$cm^{2}$, 투명전극의 투과율 > 85%
? 염료감응형 태양전지 제조공정기술 확립
2. 개발내용 및 결과
? Ti 금속층 열처리를 통한 $TiO_{2}$ 나노선 제조 및 성장 메커니즘 연구
: 스퍼터링 법으로 약 0.7 μm 두께로 Ti 박막이 증착된 기판을 메탄올 증기 분위기에서 600-800℃ 정도에서 열처리하여

1. 최종목표
? $TiO_{2}$ 나노선 기반 염료감응 태양전지 전극재료 대량 제조기술 개발
: 전기 면저항 < 10Ω/$cm^{2}$, 투명전극의 투과율 > 85%
? 염료감응형 태양전지 제조공정기술 확립
2. 개발내용 및 결과
? Ti 금속층 열처리를 통한 $TiO_{2}$ 나노선 제조 및 성장 메커니즘 연구
: 스퍼터링 법으로 약 0.7 μm 두께로 Ti 박막이 증착된 기판을 메탄올 증기 분위기에서 600-800℃ 정도에서 열처리하여 고품질 고밀도의 TiO2 나노선을 형성하는 기술이 개발되었다. 이를 통해 저비용으로 대면적 기판 위에서$TiO_{2}$ 나노선을 대량생산할 수 있는 체제를 구축하였으며 vapor-solid 나노선 성장메커니즘을 규명하였다.
? FTO 기판 위에서 TiO2 나노선 및 패터닝된 전극재료 제조
: 체계적인 연구개발을 통해 주요 공정변수가 최적화되었으며, 600℃ 정도의 낮은 온도에서도 $TiO_{2}$ 나노선을 성장할 수 있는 기술이 개발되어 TiO2 나노선/FTO 전극재료 제조가 가능하게 되었다. 또한 패터닝된 영역에서 $TiO_{2}$ 나노선 선택적 성장 기술이 개발되어 염료감응 태양전지에 용이한 적용이 가능하게 되었다. 또한 in-situ 탄소 도핑 및 코팅 효과로 인해 $TiO_{2}$ 나노선/FTO의 전기 면저항 특성이 10 Ω/< 10Ω/$cm^{2}$ 미만으로 개발목표치를 상회하는 결과를 얻었다.
? 염료감응 태양전지 제조공정기술 개발
: 염료감응 태양전지 상용화를 위한 기반 공정기술이 확보되었다. 사용된 염료는 ruthenium 535 bis-TBA이었으며, 전해질로는 3-Methoxypropionitrile에 0.5M lithium iodide, 0.05M iodine, 0.5M 4-tert-butylpyridiuebeads를 섞은 것이었다. 그러나 상용화를 위한 효율에는 미치지 못하였으며, 이는 개발된 $TiO_{2}$ 나노선 전극재료 뿐만 아니라 향후 상부 전극을 포함한 관련 다른 재료에 관한 최적화를 위한 후속연구가 필요한 것으로 사료된다. 또한 제조된 $TiO_{2}$ 나노선의 경우 가시광선 흡수에 의한 전자-정공을 발생시킬 수 있어 심도 있는 후속 연구결과에 따라서는 기존 염료감응 태양전지 효율을 뛰어넘을 수 있는 가능성이 큰 것으로 판단된다.
3. 사업성과
? 기술적 성과
■ Ti 금속층을 메탄올 증기 분위기에서 열처리하여 고품질의 $TiO_{2}$ 나노선을 형성하는 공정기술개발을 통해 저비용으로 대면적 기판 위에서 대량생산할 수 있는 체제를 구축하였다.
■ 주요 공정 변수에 따른 체계적인 연구개발을 통해 $TiO_{2}$ 나노선 성장조건을 최적화 하였으며, 이를 통해 600℃ 정도의 낮은 온도에서도 나노선을 성장할 수 있는 기술을 개발하여 TiO2 나노선/FTO 전극재료 제조가 가능하게 되었다. 또한 패턴된 영역에서 선택적으로 $TiO_{2}$ 나노선을 성장할 수 있는 공정 확립으로 염료감응 태양전지 적용이 용이하게 되었다.
■ 노선/FTO의 전기 면저항 특성이 10 Ω/$cm^{2}$ 미만으로 개발목표치를 상회하는 결과를 얻었다. 또한 탄소 도핑은 $TiO_{2}$ 나노선에서도 가시광선 흡수에 의한 전자-정공을 발생시켜 태양전지 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 이에 관한 특허 출원이 준비 중임.
■ 염료감응 태양전지 상용화를 위한 기반 공정기술을 확립하였다.
? 경제적 성과
■ 태양전지는 가장 주요한 대체에너지 사업으로 2000년 이후부터 연간 40% 이상의 급성장세를 보이고 있다. 시장규모 역시 2010년에는 360억 달러 이상까지 확대될 것으로 예측되고 있다. 염료감응 태양전지는 현재까지는 선진 각국에서도 상용화단계까지는 진행되지 않고 있으나 차세대 기술로서 큰 각광을 받으며 연구개발에 막대한 인력과 개발비가 투자되고 있다.
■ 본 과제를 통해 개발된 $TiO_{2}$ 나노선/FTO 전극재료는 기존 분말성형을 통한 $TiO_{2}$ 다공성 전극을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 탄소 도핑에 의한 가시광선 감응특성을 활용하면 기존 염료감응 태양전지 보다 향상된 효율을 기대할 수 있어 시장에서 큰 경쟁력을 가질 것으로 기대하고 있다.
■ 개발된 염료감응 태양전지 제조공정기술을 통해 엑셀랩(주)은 상용화를 위한 기반을 구축하였으며 지속적인 후속 연구개발을 통해 염료감응 태양전지 시장을 선점할 계획이다.
■ 개발된 $TiO_{2}$ 나노선은 매우 우수한 가시광선 광촉매 반응을 보여 광촉매제로도 산업화 가능성이 높다. 광촉매 재료는 일본 및 독일 등의 수입제품이 독점적 위치를 누리고 있으며 분말제품 중심이며 많은 부분이 특허에 묶여 있으나 개발된 $TiO_{2}$ 나노선은 본 주관기관의 고유기술이며 매우 우수한 광촉매특성을 가지고 있어 기존 분말재료의 수입 대체 효과 및 수출을 기대할 수 있다.
? 사회적 성과 (일자리 창출 등)
? 본 기술개발로 인해 상용화 및 대량생산 체제가 구축되면 신규고용을 늘릴 수 있는 등의 고용창출 효과가 뒤따를 것으로 기대하고 있다.
4. 향후추진계획
: 본 연구를 통해 태양전지 효율이 하부 및 상부 전극재료 및 구조에 따라 크게 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 현재 제조된 태양전지의 경우 효율이 상용화 수준에는 미치지 못하고 있는데 이는 제조에 사용된 각 재료들의 특성이 최적화되지 못한 것으로 판단된다. 이에 관한 후속 연구를 통하여 상용화 수준의 태양전지 효율을 확보하여 염료감응 태양전지 시장을 선점할 수 있도록 할 것이다. 또한 개발된 $TiO_{2}$ 나노선은 매우 우수한 가시광선 광촉매제로도 활용할 수 있기 때문에 이를 대기 및 수질 정화용 광촉매 필터로 상용화할 개발도 진행할 것이다.

목차 Contents

• 사업비사용실적보고서...1
• 개발결과의견서...5
• 최종보고요약서(초록)...6
• 목차...8
• 제 1 장 서론...9
• 제 1 절 기술개발의 개요...9
• 제 2 절 개발목적 및 목표...10
• 제 2 장 과제개발 내용 및 방법...10
• 제 1 절 Ti 열처리를 통한 TiO2 나노선 제조 및 성장메커니즘 연구...10
• 제 2 절 FTO 기판 위에서 TiO2 나노선 및 패터닝된 전극재료 제조...14
• 제 3 절 염료감응 태양전지 제조공정기술 개발...16
• 제 3 장 사업성과...18
• 제 1 절 기술적 성과...18
• 제 2 절 경제적 성과...18
• 제 4 장 결론...19
• 제 1 절 개발결과 요약 및 결론...19
• 제 2 절 향후 계획...19