환경과 에너지

[사이언스타임즈] 신 개념의 태양전지

FERRIMAN 2010. 8. 18. 09:44

Fundamental Technology for New-concept Solar Cell Developed Boasts double benefits of high efficiency, low cost 2010년 07월 13일(화)
<사이언스타임즈>는 KISTI와 공동으로 한국의 과학기술 관련 정보를 해외에 널리 알리기 위해 기사번역 서비스를 제공하고 있습니다. <사이언스타임즈>는 전문번역원을 통해 영문화된 기사를 한 달에 3∼5회 독자분들에게 소개하고자 합니다. 영문기사는 홈페이지 www.koreascience.kr에서도 확인할 수 있습니다. [편집자 註]

영어로 읽는 과학기사 A Korean research team has developed core technology for new-concept solar cells.

The Ministry of Education, Science and Technology(Ahn Byung-man, Minister) said on June 4 that a Korean research group had developed core technology for production of a new structure solar cell, which integrates the technological characteristics of conventional solar cells. The new technology, which is an integrated type that combines organic and inorganic materials, is raising expectations because it allows for the production of next-generation solar cells that boast long durability and high efficiency.

The study was spearheaded by a research team led by Dr. Seok Sang-il at the Korea Institute of Chemical Technology, and conducted jointly with a research team led by Prof. Graetzel at the Federal Institute of Technology Lausanne in Switzerland. The study was conducted with support from the Global Research Laboratory Assistance Program run jointly by the ministry and the Korea Research Foundation(Park Chan-mo, Chairman). The study was published as a distinguished paper in the early online edition (May 28) of Nano Letters, a scientific journal on nano materials/devices. The researchers also applied for patent in Korea and overseas.

Integrating advantages of existing solar cells

Examples of conventional solar cell technologies include an inorganic semiconductor thin film solar cell, which is highly efficient but expensive; a dye-sensitized solar cell, which is relatively efficient and cheap to produce but raises long-term safety concerns; and an organic solar cell, which is cheap to produce but is low in optical stability.

Inorganic semiconductor thin film solar cell

If solar light with an energy volume larger than that of the Band-gap Energy(Eg) of the semiconductor is beamed in when inorganic semiconductor thin films of electron (n) and electron hole(p) are integrated into the p-n form, electron-electron hole pairs are created. The inorganic semiconductor thin film solar cell operates through a mechanism in which the electrons of these electron-electron hole pairs are gathered in the n layer, while electron holes are collected in the p layer due to the electrical field created in the p-n interface. While highly efficient, it has the disadvantage of being expensive to produce.

Dye-sensitized solar cell

This solar cell copies the principle of photosynthesis in plants. It operates by causing electron-electron hole pairs created through the absorption of solar light to separate in the electron conductor-hole conductor interface by applying a dye that absorbs solar light onto electron(n)-conducting frames, and thus driving electrons and holes to flow via the external circuit. This is relatively efficient and cheap to produce, but entails safety concerns in long-term use due to its employment of liquid electrolyte.

Organic solar cell

This solar cell is produced by integrating materials that can absorb electrons with a copolymer material that generates electron-electron holes by absorbing solar light This is cheap to produce, but has the shortfall of low optical stability. Dr. Seok Sang-il's research team introduced into the dye-sensitized solar cell structure the advantages of the inorganic semiconductor thin film solar cell, which is expensive but highly efficient, and those of the cheap-to-produce organic solar cell.

Based on the dye-sensitized solar cell structure, the research team utilized a method in which they used inorganic semiconductors of highly efficient, inorganic semiconductor thin film solar cells by converting them into nanoparticles(including quantum dots) as a photo-active sensitizer in lieu of dye, and effectively integrated them with the copolymer of organic solar cells. For the study, the research team used a material for inorganic semiconductor nanoparticles, which costs pennies per gram, instead of a synthetic dye, which costs hundreds of dollars per gram.

The study has allowed for the production of solar cells through a process of integration between a low-cost inorganic material and chemical liquid, and has made possible solar energy absorption both in inorganic semiconductor nanoparticles and conducting copolymer, as well as the conversion thereof into electrical energy. Additionally, it can utilize solar light energy in the near-infrared light spectrum, and will likely be easily applied to large surface or flexible circuit boards.

In explaining the significance of his study, Dr. Seok of the Korea Research Institute of Chemical Technology said, "The technology is a new-concept solar cell that integrates the advantages of the inorganic semiconductor thin film solar cell, which is known as a next-generation solar cell technology, organic solar cells, and dye-sensitized solar cells," adding, "This is a fundamental technology that boasts double benefits of high efficiency and low cost."

[한글 기사 보기]

Kim Chung-han | chkim@kofac.or.kr

저작권자 2010.07.13 ⓒ ScienceTimes
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신개념 태양전지 원천 기술 개발 고효율과 저가… 두 마리 토끼 동시에 잡아 2010년 06월 07일(월)

신개념 태양전지 원천 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 화제다.

교육과학기술부(장관 안병만)는 4일 기존 태양전지의 기술적 특징을 융합한 새로운 구조의 태양전지 제조 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다고 밝혔다. 이번에 개발된 기술은 무기-유기를 혼합한 이종접합형으로 내구성이 우수하고 고효율이 가능한 차세대 태양전지 제조가 가능해 큰 기대를 모으고 있다.

한국화학연구원 석상일 박사 연구팀이 주도한 이번 연구는 염료감응태양전지의 발명자인 그래첼(Graetzel) 교수 연구팀(스위스 로잔공대)과 공동으로 교과부와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 지원하는 글로벌연구실 사업의 지원을 받아 수행된 것이다. 연구 결과는 나노소재/소자 분야 과학 전문지인 나노 레터스 (Nano Letters) 온라인 속보(5월 28일자)에 주요 논문으로 게재됐으며, 국내외 특허도 출원했다.

기존 태양전지 장점만 융합해

기존 태양전지 기술로는 효율이 높지만 고가인 무기반도체박막태양전지, 효율이 비교적 높고 저가로 제조가 가능하지만 장기 안정성에 문제를 가진 염료감응태양전지, 저가로 제조가 가능하지만 광안정성이 낮은 유기태양전지가 있다.

무기반도체박막태양전지

전자(n)-정공(p)의 무기반도체 박막을 p-n으로 서로 접합하였을 때 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 되는 원리로 동작하는 태양전지. 효율은 높지만 제조 비용이 고가인 단점이 있다

염료감응태양전지

식물의 광합성 원리를 모방한 태양전지. 전자(n) 전도성 지지체위에 태양광을 흡수하는 염료를 부착하여 태양광 흡수로 생성된 전자-정공 쌍이 전자전도체-홀전도체 계면에서 분리되어 전자와 홀이 외부 회로로 흐르게 하여 동작한다. 효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만, 액체전해질 사용에 따른 장기적으로 사용하는데 안정성 문제가 있다

유기태양전지

태양광을 흡수하여 전자-정공을 생성하는 고분자 재료에 전자흡수능력을 가진 물질을 결합하여 제조되는 태양전지. 저가로 제조가 가능하지만, 광안정성이 낮은 단점이 있다
석상일 박사 연구팀은 값은 비싸지만 고효율인 무기반도체박막태양전지의 장점과 가격이 저렴한 유기태양전지의 장점을 염료감응태양전지 구조에 도입했다.

연구팀은 염료감응태양전지의 구조를 기반으로, 고효율 무기반도체박막태양전지의 무기반도체를 나노입자화(양자점 포함)해 염료 대신 광감응제로 사용하고 유기태양전지의 전도성 고분자와 효과적으로 결합하는 방법을 사용했다. 연구팀은 이번 연구에서 그램당 수십만원 가격의 합성염료 대신 그램당 수십원의 무기반도체나노입자용 원료를 사용했다.

이번 연구로 저가의 무기물과 화학적 용액간 공정에 의해 태양전지 제조가 가능하며, 무기반도체나노입자와 전도성 고분자 모두에서 태양에너지를 흡수해 전기적 에너지로 변환이 가능하게 됐다. 또한 근적외선 영역의 태양광 에너지도 활용이 가능하고, 대면적이나 유연성 기판에도 쉽게 적용이 가능할 전망이다.

한국화학연구원 석상일 박사는 “이번 연구성과는 차세대 태양전지기술로 알려진 무기반도체박막태양전지, 유기태양전지, 염료감응태양전지의 장점을 모두 융합한 형태의 신개념 태양전지이다”며 “고효율과 저가라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 원천기술”이라고 연구 의의를 밝혔다.

김청한 기자 | chkim@kofac.or.kr

저작권자 2010.06.07 ⓒ ScienceTimes
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