초록 ▼

1. 중과제 개요
1) 연구개발 이슈
∘ (정책적/법적 측면) 개발 성공 시 에너지산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 핵심기술로서 차세대 먹거리 발굴을 위한 신성장 동력 발굴 등 정부 R&D 투자방향에 부합
∘ (사회적 측면) 개인 휴대기기 및 사물 인터넷, 마이크로 그리드 보급확대에 따라 독립형 에너지원의 수요 급증에 대비하여 전력계통에 직접 연결하거나 별도의 에너지 저장소자를 배제할 수 있는 에너지 생산/변환/저장 기술의 개발이 요구됨
∘ (기술적 측면) 날씨/일조량에 따라 매우 가변적인 태양광발전 시스템의 취

1. 중과제 개요
1) 연구개발 이슈
∘ (정책적/법적 측면) 개발 성공 시 에너지산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 핵심기술로서 차세대 먹거리 발굴을 위한 신성장 동력 발굴 등 정부 R&D 투자방향에 부합
∘ (사회적 측면) 개인 휴대기기 및 사물 인터넷, 마이크로 그리드 보급확대에 따라 독립형 에너지원의 수요 급증에 대비하여 전력계통에 직접 연결하거나 별도의 에너지 저장소자를 배제할 수 있는 에너지 생산/변환/저장 기술의 개발이 요구됨
∘ (기술적 측면) 날씨/일조량에 따라 매우 가변적인 태양광발전 시스템의 취약점으로 에너지 저장소자와의 연결 필수, 독립형 에너지 변환/저장 융합소재분야는 세계 최초로 시도되는 매우 도전적인 중장기 원천연구로서 High-Risk, High-Return 특성을 고려, 출연(연) 수행이 적절
2) 최종연구목표
∘ 4차 산업혁명 선도를 위한 세계 최고 성능의 독립형 에너지 변환 저장 융합 소재 기술개발
: 독립형(Off-grid) 에너지 변환 저장 융합소자 구현을 위한 핵심소재 원천 기술 개발
(1) 고효율 광/전 일체형 융합소재 및 융합소자화 기술 개발
∘ (발전) 고안정성 차세대 태양전지 핵심소재 개발
- 페로브스카이트 태양전지: 20% (@100X100mm² 이상)
- 페로브스카이트 태양전지 안정성: 최대출력점추적 후 효율 감소율 15% 이내 @300h, 열/습도(65℃/85%)
- 유기 태양 전지 모듈 (기판 크기 ≧ 100 cm²) 효율 ≧ 12.5%
∘ (저장) 고용량 고안정성 에너지저장 소재 기술 개발
- 에너지 저장 효율 80% 이상
∘ (융합소자) 태양광 발전-저장 융합소자
- 고효율 열전소자용 소재/공정기술개발 (열전모듈의 파워 출력: 0.1 mW/cm² 이상)
- 광/전 일체형 융합소자: 총에너지변환효율 12.5%이상
(2) 재생에너지 연계 에너지변환용 핵심소재 개발
∘ (수전해) 재생에너지 연계 수전해용 이온전달막 및 단위셀
- 막저항 < 40 mΩcm², 단위셀 성능 > 3 A/cm² (1.9V), 수전해 효율 > 93% (1A/cm²), 부하변동 운전 성능저하 < 20% (100 cycles)
∘ (가역연료전지) 일체형 가역연료전지용 이온전달막 및 단위셀
- 연료전지 모드 성능 > 800 mA/cm² (0.6V), 수전해 모드 성능 > 1,000 mA/cm² (1.7V), Round trip efficiency > 50%
∘ (재생형 전기화학셀) 재생형 전기화학셀용 막 및 단위셀
- 막면적비저항 <150 mΩcm², 단위셀 성능 > 200 mA/cm² (2V)
3) 주요연구내용
∘ 초고효율 고안정성 무/유기 하이브리드 태양전지 핵심 소재 및 모듈화 기술 개발
∘ 광/전 일체형 융합소자용 무/유기반도체 소재 개발
∘ 광/전 일체형 융합소자용 유기반도체 소재 개발
∘ 융합소자용 고이온전도도 전해질 및 고용량 전극소재 개발
∘ 광/전 일체형 융합소자 효율 향상 기술 개발
∘ 고효율 열전소자용 소재/공정기술개발
∘ 재생에너지 연계 에너지변환용 이온전달막 소재 개발
∘ 수전해 및 가역연료전지용 고성능 고안정성 단위셀 기술 개발

2. 당해연도
연구실적
1) 당해연도 연구목표 (1단계, 1년차)
- 초고효율 고안정성 무/유기 하이브리드 태양전지 핵심 소재 및 모듈화 기술 개발
- 고효율 광/전 일체형 융합 소재 및 융합 소자화 기술 개발
- 수전해용 신규 다공막 및 고분자 전해질막 제조 기술 개발
2) 당해연도 연구내용
(1) 광에너지 융합소재 원천기술 개발
- 단위 셀 변환 효율 ≧ 20%
- 모듈 (100X100 mm²) 변환 효율 ≧ 16%
- 열/습도(65℃/85%) 안정성 ≦ 40% (300시간 후 초기효율 대비 감소율)
(2) 태양광 발전/저장 융합소재
- 광활성소재 밴드갭 조절 (P_max - 충전전압)/P_max < 0.1
- 유기태양전지 서브 모듈 효율 ≧ 10%
- 광활성 전극과의 상용성이 우수한 액체 전해질 소재 선별 및 특성 평가
- 병렬식 3전극 융합구조용 고용량 전극 ≧ 0.3 mAh/cm²
- 이차 전지 에너지 저장 효율 ≧ 60%
- 광/전 융합소자 에너지 변환 효율 ≧ 5%
(3) 친환경 차세대 에너지원 생산용 핵심소재 개발
- 지르코니아/폴리술폰 기반 알칼라인 수전해용 다공막 막면적 비저항 < 500 mΩcm²
- 알칼라인 수전해용 다공막 기체투과차압 > 1.5 bar
- polymer electrolyte 수전해용 이온교환막 막면적비저항 < 150 mΩcm²
- 이온교환막 치수안정성(Δl) < 40%
- 이온교환막 수소투과도 < 100 barrer
- 수전해 단위셀 전류밀도 > 1.2 A/cm² @ 1.9V
- 수전해 효율 80% @ 1 A/cm²
- 부하변동 막저항증가율 < 60% @ 100 cycles
3) 당해연도 연구결과
∘ 광/전 일체형 융합소자 기술 (주요사업 기여도 100%)
- 고효율 페로브스카이트 미니모듈 및 리튬 이온전지 4전극 일체형 융합소자 개발을 통한 높은 광전변환효율달성 (12.79%) (투고 예정)
∘ 저온공정 기반 신규 전하수송층을 통한 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발 (주요사업 기여도 33%) * Energy & Environmental Science (2020, IF=30.289)
∘ 고효율 유기 단분자 억셉터 소재 개발 (주요사업 기여도 50%)
*Advanced Energy Materials (2020, IF=25.245)
∘ 고성능 에너지 저장용 전극 활물질 소재 개발 (주요사업 기여도 50%)
- 고성능 에너지 저장용 전극 활물질 소재를 개발 (1C = 1675 mAh/g) * Chemical Engineering Journal (2020, IF=10.652)
∘ 고분자 전해질 수전해용 음이온전달막 제조 기술 (주요사업 기여도 50%)
- 신규 폴리카르바졸계 강직주쇄형 음이온전달막(anion exchange membrane, AEM) 제조 기술 개발하였음. 우수한 내염기성과 기존 대비 2-3배 향상된 OH-전도성을 바탕으로 세계 최고 AEM 수전해 성능을 나타냄. * Energy & Environmental Science (2020, IF=30.289

3. 차년도 연구계획
1) 차년도 연구목표
· 초고효율 고안정성 무/유기 하이브리드 태양전지 핵심 소재 및 모듈화 기술 개발
· 이차전지 에너지 저장 효율 및 융합소자 변환 효율 상승을 위한 전극/전해질 핵심 소재 기술 개발
· 재생에너지 연계 에너지변환용 개선된 물성의 핵심 소재 및 단위 셀 제조 기술 개발
2) 차년도 연구내용
(1) 고효율 광/전 일체형 융합소재 및 융합소자화 기술 개발
∘ (발전) 고안정성 차세대 태양전지 핵심소재 개발
- 모듈 (100X100 mm²) 변환 효율 ≧ 17%
- 열/습도(65℃/85%) 안정성 ≦ 35% (300시간 후 초기효율 대비 감소율)
- 유기태양전지 서브 모듈 효율 ≧ 10.5%
∘ (저장) 고용량 고안정성 에너지저장 소재 기술 개발
- 고분자 전해질 이온 전도도 > 0.5 mS/cm
- 안정성 및 용량 향상 전극 ≧ 0.5 mAh/cm²
- 이차 전지 에너지 저장 효율 ≧ 70%
∘ (융합소자) 태양광 발전-저장 융합소자
- 융합소자용 열전모듈의 발전출력: 10 μW/cm² 이상
- 고효율 광흡수/전하발생 소재 (J_max-충전전류)/J_max < 0.1
- 광/전 융합소자 에너지 변환 효율 ≧ 7%
(2) 재생에너지 연계 에너지변환용 핵심소재 개발
∘ (수전해) 개선된 전도성과 안정성의 고분자전해질 소재 및 계면 특성 향상 막전극접합체 기술
- 면적비저항 <80 mΩcm², 치수안정성(Δl) <20%, 수소투과도 < 50 barrer
- 단위셀 전류밀도 >1.5 A/cm² @1.9V, 수전해 효율 85% @1 A/cm², 부하변동 막저항증가율 <55% @100 cycles
∘ (가역연료전지) 가역연료전지용 이온전달막 소재
- 연료전지 모드 성능 > 400 mA/cm² @0.6V, 수전해모드 성능 > 500 mA/cm² @1.7V
3) 예상성과
(1) 고효율 광/전 일체형 융합소재 및 융합소자화 기술 개발
∘ (발전) 고안정성 차세대 태양전지 핵심소재 개발
- 17% 이상의 고효율-고안정성 페로브스카이트 서브모듈 개발
- 저온 공정 기반 고효율 페로브스카이트 소자 개발
- 고효율 서브모듈 유기태양전지용 광활성 소재 개발
- 고안정성 계면제어 층간소재 개발
∘ (저장) 고용량 고안정성 에너지저장 소재 기술 개발
- 고밀도 고용량 전극 소재 개발 및 계면 부반응 억제형 양극 소재 및 설계 기술 개발
- 율속 특성 향상 및 전기화학적 산화/환원 안정성 가시는 고이온전도성 전해질 소재 개발
- 고출력, 고에너지 밀도 및 장수명 전지 구현
∘ (융합소자)
- 융합소자 맞춤전극형 태양전지 소자 및 서브모듈 설계
- 융합소자용 열전소자 설계 및 제작
- 전극공유형 광/전 일체형 융합소자 개발
(2) 재생에너지 연계 에너지변환용 핵심소재 개발
- 성능 및 안정성 향상 양/음이온전달막 소재 기술
- 우수한 계면의 막전극접합체 및 부하변동 적용성 향상 기술

(출처 : 요약서 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 2021년 주요사업 연구실적·계획 요약서 ... 2
• Ⅰ. 개요 ... 8
• 1. 연구개발 이슈 ... 8
• 2. 연구개발 최종목표 ... 15
• Ⅱ. 실적 (2020년) ... 38
• 끝페이지 ... 38