[보고서]차세대 태양전지 고효율화 기술개발

조준식

차세대 태양전지 고효율화 기술개발
Development of Next Generation High Efficient Solar Cells 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국에너지기술연구원 Korea Institute of Energy Research
연구책임자	조준식
참여연구자	안세진 , 곽지혜 , 김광득 , 김종욱 , 김석기 , 조아라 , 백남춘 , 한성옥 , 그외 다수 , 윤재호
보고서유형	연차보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2015-12
과제시작연도	2015
주관부처	미래창조과학부 KA
사업 관리 기관	한국에너지기술연구원 Korea Institute of Energy Research
등록번호	TRKO201600000341
과제고유번호	1711034648
DB 구축일자	2016-04-09
키워드	박막,태양전지,비진공,롤투롤,우주용 태양전지,화합물 박막 태양전지,저가 경량,CIGS계 광흡수층,우주환경 내구성,스마트 창호,다기능성,화합물 박막,심미성,선택적 광흡수CI(G)S,Thin Film,Solar Cell,Non-vacuum,Roll to Roll(R2R),Space solar cell,Compound thin film solar cell,Low-cost low-weight,CIGS-based absorber,Durability in space environment,smart window,multi-function,chemical thin-film,aesthetic,selective light absorption

초록 ▼

비진공 Roll to Roll 공정 기반 CIGS 박막 모듈 개발 (Ⅲ)

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
○ 비진공 R2R 공정기반 CIGS 박막 모듈 개발 결과
- 소자 기술
: 독자적 하이브리드 CIGS 전구체 제조기슬 확보
: 하이브리드 CIGS 전구체의 플렉서블 기판 코팅 기술 확보
: 하이브리드 CIGS 전구체를 이용한 CIGS 박막 열처리 공정 확보
: 하이브리드(진공 + 비진공) CIGS 박막 제조 공정 확보
: 셀 제조 및 측정, 평가 기술 확보
: AFM 기반 표면 분석 기술 및 소자 성능 평가 기술 확보
: 소면적 및 대면적 플렉서블 CIGS 박막 태양전지 제조 기술 확보
: 하이브리드 CIGS 전구체를 이용한 소면적 셀 효율 10.4% 달성
: 하이브리드 공정을 이용한 CIGS 박막 태양전지 셀 효율 12.2% 달성
- 장비 기술
: 대면적 Roll to Roll Mo Sputter 장비 set-up 및 공정 확보
: 대면적 비진공 CIGS 전구체 코팅 장비 set-up 및 공정 확보
: 대면적 Roll to Roll CIGS Evaporation 장비 set-up 및 공정 확보
: 대면적 Buffer 성막 장비(CBD) set-up 및 공정 확보
: 대면적 TCO 성막 장비 set-up 및 공정 확보
: 대면적 Laminator 장비 set-up 및 공정 확보
: 대면적 플렉서블 CIGS 박막 모듈 성능 평가 장비 set-up 및 평가 기술 확보
- 특허 분석
: 비진공 R2R 공정 기반 플렉서블 CIGS 박막 모듈 관련 특허 분석
- 시장 분석
: 플렉서블 CIGS 박막 모듈 관련 응용 제품 시장 분석 및 Business Model 도출
- 제품 디자인 개발
: 플렉서블 CIGS 박막 태양전지 응용 제품 디자인 도출 및 사용 시나리오 제안
○ 비진공 R2R 공정기반 CIGS 박막 모듈 기술 활용 방안
- 하이브리드 CIGS 전구체 제조기술을 바탕으로 양자점 태양전지 제조기술로 활용
- 전구체 코팅 기술을 바탕으로 습식 코팅 공정 기술을 이용하는 기타 태양전지 제조 기술로 활용 범위 확장
- AFM 표면 분석 기술로 기타 박막 태양전지의 소자 성능 평가 기술로 적용 가능성 타진
- 기판 소재의 유연성과 독립성을 보장함으로써, 대규모 발전용 뿐만아니라 휴대형 또는 이동형 전자기기 분야의 전력 공급원으로 응용 분야 확장에 활용
- 대면적 R2R 진공 성막 기술을 바탕으로 기타 R2R 공정 기반 전자기기 제조 기술로 응용 분야 확장에 활용

우주용 저가·경량 화합물 박막 태양전지 핵심원천기술 개발 (Ⅱ)

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
․ 1958년 처음으로 Vanguard 위성에 태양전지가 사용된 이래, 지금까지 결정질 Si 및 GaAs 태양전지 기술이 우주에서 필수적인 역할을 해오는 동안 발견된 개선이 필요한 두가지 중요사항은 무게당 전력비(power to mass ratio, W/kg; specific power)와 내방사선 특성임.
․ 기존의 우주용 태양전지에 사용되는 상기 두가지 물질은 bulk material을 기반으로 하고 있기 때문에 W/kg 특성 및 내방사선 특성이 좋지 않을 뿐만 아니라, Si 재료의 경우 단일접합 효율 이상의 고효율 구현이 불가능하고, 현재 우주용 태양광 모듈에 주로 사용되는 GaAs를 비롯한 유사 III-V족 우주용 태양전지의 경우 고효율의 장점을 가지나 공정이 복잡하고 고가임(∼300€/W).
․ 현재까지 국내 인공위성을 비롯한 우주비행체의 경우 위와 같은 고가의 III-V족 태양전지를 전량 수입하여 사용하고 있으며, 고방사선, 극고온 및 극저온 등의 열악한 우주환경에 적합한 태양전지 성능 확보가 필요한 반면 국내에는 관련 제조 기술뿐만 아니라 평가 및 예측기술도 전무한 실정임.
․ Cu, In, Ga, Se의 4 원소로 구성된 화합물을 태양전지의 광흡수층으로 사용하는 CIGS 박막 태양전지는 태양광의 광흡수계수가 높아 박막 태양전지 중 가장 높은 효율을 보고하고 있으며, 내방사선 특성이 우수할 뿐만 아니라 경량 기판 상에 제조가 가능하고 상대적으로 높은 specific power(559 W/kg on Ti, 919 W/kg on PI)를 가지므로, 위에서 언급한 우주용 태양전지에 대한 요구사항을 충족할 수 있으며, 30-80€/W의 제조단가는 기존의 우주용 태양전지에 대비되는 또 다른 장점임.
․ 또한, 광흡수층 소재의 두께가 수 μm로 원소재 소비가 매우 적고 연속공정이 가능하여 제조단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 mass & storage volume 등의 장점을 가짐.
․ 일반적으로 지상용 CIGS 태양전지는 glass/Mo/CIGS/CdS/ZnO/grid의 구조로 구성되어 있으나, 우주용 CIGS 태양전지는 경량의 어레이 응용에 적합한 기판을 사용하여야 하며, 높은 방사선 및 자외선, 극한온도, 원자산소 등 지상용과 차별화되는 우주환경에 적합한 재료적·구조적 최적화가 필요함.
․ 이에 아래 그림과 같은 CIGS 태양전지 구조를 기반으로 위의 우주환경 특성을 고려하여 고가의 기존 III-V족 기반 태양전지를 대체할 수 있는 우주용 저가·경량 화합물 박막 태양전지를 개발하고자 함.

스마트창호 적용을 위한 다기능성 화합물 박막 태양전지 기술개발 (Ⅰ)

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
○ 2014년 세계 태양광 신규설치량은 40GW에 이르며 평균 20%이상의 성장세를 유지하고 있음
○ 기존의 대용량발전의 한계를 극복하고 효율적인 전기생산 및 소비를 위한 분산발전의 필요성이 증대됨에 따라 자가발전 및 소비가 가능한 친환경에너지타운 및 친환경건물에 대한 관심이 크게 증대되고 있음
○ 친환경에너지타운을 위한 건물 효율향상 측면에서 창호에 대한 중요성이 부각되고 있으며 특히 에너지를 절약하는 동시에 직접 생산할 수 있는 차세대 스마트창호 기술에 대한 개발 필요성도 크게 증가하고 있음
○ 이에 따라, 심미성, 칼라구현, 선택적 광흡수 등의 다양한 새로운 기능성을 갖춘 창호적용 BIPV를 제조하기 위해서는 기존의 태양전지와는 차별화된 기술적용이 요구됨
○ CIGS계 화합물 박막 태양전지가 갖는 다결정 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 효율과 우수한 장기안정성을 활용하고 광학박막 설계기술을 접목하여 광변조를 통한 다양한 광기능성과 광대역 파장에 대한 광이용율 향상 및 선택적 광흡수 기술을 확보할 경우 단기간에 고부가가치를 창출 할수 있는 창호 맞춤형 태양전지 제품개발이 가능함
○ 선진국에서도 기술개발 초기단계이므로 추격형 기술이 아닌 독자적인 원천 및 응용기술 확보가 가능한 선도형 기술개발 분야임

Abstract ▼

Development of CIGS Solar Modules via Non-Vacuum Roll to Roll Process

Ⅳ. Result and Recommendations
○ Results of CIGS solar modules via non-vacuum roll to roll process
- Device technology
: Development of unique hybrid CIGS precursor synthesis technology
: Development of hybrid CIGS precursor coating technology
: Development of rapid thermal annealing (RTA) process of hybrid CIGS precursor film
: Estabilishment of device fabrication and performance analysis tool
: Development of AFM-based device characterization technology
: Achievement of 9.7% conversion efficiency of flexible CIGS thin film solar cell using hybrid precursors
- Equipment and process technology
: Large area Mo sputter set-up and process development
- Patent Analysis
: Patent analysis of CIGS solar modules via non-vacuum roll to roll process
- Market Analysis
: Analysis of BIPV(Buliding Integrated Photovoltaics) market using flexible CIGS solar modules.
○ Applications of CIGS solar modules via non-vacuum roll to roll process
- Quantum dot solar cell application based on hybrid CIGS precursor synthesis technology

목차 Contents

표지 ... 1
제출문 ... 3
목차 ... 5
비진공 Roll to Roll 공정 기반 CIGS 박막 모듈 개발 (Ⅲ) ... 7
표지 ... 7
목차 ... 9
2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 11
Ⅰ. 일반현황 ... 11
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 12
Ⅲ. 추진 전략 ... 17
Ⅳ. 추진 실적 ... 21
Ⅴ. 향후 계획 ... 35
유첨 연구 결과 상세 기술 - 비진공 Roll to Roll 공정 기반 CIGS 박막 모듈 개발 (III) - ... 37
우주용 저가·경량 화합물 박막 태양전지 핵심원천기술 개발 (Ⅱ) ... 177
표지 ... 177
목차 ... 179
2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 181
Ⅰ. 일반현황 ... 181
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 182
Ⅲ. 추진 전략 ... 184
Ⅳ. 추진 실적 ... 187
Ⅴ. 향후 계획 ... 197
스마트창호 적용을 위한 다기능성 화합물 박막 태양전지 기술개발 (Ⅰ) ... 199
표지 ... 199
목차 ... 201
2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 203
Ⅰ. 일반현황 ... 203
Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 204
Ⅲ. 추진 전략 ... 206
Ⅳ. 추진 실적 ... 209
Ⅴ. 향후 계획 ... 220
[별첨1] 정량적 성과 목록 ... 221
[별첨2] 연차평가 의견서 반영 ... 222
끝페이지 ... 223

과제명(ProjectTitle) :	-
연구책임자(Manager) :	-
과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
키워드(keyword) :	-
과제수행기간(LeadAgency) :	-
연구목표(Goal) :	-
연구내용(Abstract) :	-
기대효과(Effect) :	-

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