[제조프로세스혁신] 그래핀을 이용한 염료감응형 태양전지
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- 목차
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0. Executive Summary
1. 태양전지 기술과 시장 현황
2. 그래핀
3. 염료감응형 태양전지
참고 문헌
- 본문내용
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결정질 실리콘 태양전지
기술 개요
현재의 태양전지의 기본 형태를 이루는 최초의 실리콘 태양전지는 1954년에 개발되어 4.5%의 변환 효율을 얻었고, 몇 달 후 에 6%를 달성하였다. 1999년도의 24.7%가 발표되기까지 45년의 세월이 걸렸다. 중요한 하나의 기술이 개발되면 획기적으로 효율이 증가하고 또 다른 새로운 기술이 나오기까지 오랜 시간이 걸렸다. 즉 변환 효율이 계단형으로 발전되어 왔다. 단결정 실리콘 태양전지는 이제 거의 기술적 인 한계에 온 것처럼 보이지만 이론적인 변환효율을 33%까지 볼 때 아직도 발전 가능성은 있다고 볼 수 있다.
전 세계적으로 2000년까지 277 MW의 태양광 생산이 이루어 졌다. 그 동안의 놀라운 성장에도 불구하고 세계 에너지의 소비 에 비하면 그 기여도가 아직도 상당히 미약함을 보이고 있다. 태양광 에너지의 성장은 지구상의 에너지 문제를 해결하기 위해 발전되어 왔다. 몇몇 국가에서는 태양광 발전 연구 프로젝트를 수행하여 태양광 발전에 가속화를 이루고 있다. 지상전력을 위한 태양전지 생산 뿐 아니라 우주전력을 위해서도 지속적으로 연구와 개발이 이루어지고 있다. 또한 Shell사에 의한 보고에 의하면 2060년까지 미래의 에너지는 대체에너지에 의해 수기가 와트(Giga Watt)의 전력이 생산될 것으로 예견하였다.
다결정 태양전지의 효율은 지난 20년 동안 꾸준하게 발전되어 왔다. 이러한 발전은 고품질 재료의 개발과 태양전지 제작 공정의 개발에 의해 이루어진 것이다. 다결정 태양전지의 효율에 대한 발전은 3개의 범주로 나뉘어진다. 첫째는 소면적(1-4 cm2) 연구용 태양전지로서 고가의 기술의 발전 그룹이다. 둘째는 양산용 및 연구 용 대 면적(≥100 cm2) 태양전지 기술이다. 셋째는 양산용 대면적 태양전지 기술이다. 현재는 양산용의 일반적인 다결정 태양전지의 효율은 12.5 - 15.0%이다. 다결정 태양전지의 양산은 21년 전부터 시작하였다. 현재는 전 세계의 태양광 모듈의 41%를 차지하고 있다. 1995년 이후로 다결정 실리콘 기판의 사용은 매년 증가하여 미래에는 더욱 더 가속화 될 것을 볼 수 있다. 2000년에 세계 7개의 태양전지 톱(top) 회사들은 생산량의 60%를 다결정 실리콘 기판에 두고 있다. 1980년에 8%의 산업용 태양전지의 효율로부터 시작하여 2000년 에는 14.5%의 양산용 태양전지의 효율을 보이고 있다. 또한 산업용 태양전지 의 크기는 90에서 230 으로 변화되었다. 다결정 실리콘 태양전지의 성장이 필요한 이유는 무엇 보다는 CZ(Czochralski) 단결정 실리콘 태양전지와 비교하여 저가의 기판이기 때문이다.
산업동향
실리콘 태양전지는 기판에 따라 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 리본 실리콘 그리고 비정질 실리콘 태양전지로 나눌 수 있으며, 단결정에는 FZ(float zone), CZ(Czochralski), Tri- crystal로 나눌 수 있다. 전 세계 시장에서 단결정 실리콘과 다결정 실리콘 태양전지의 비중이 90% 이상을 차지하고, 다른 비정질 실리콘, CIS, CdTe를 모두 합하여 약 6.5%가 된다. 전 세계 태양전지 생산량이 47 MW에 불과했던 1990년 도에는 단 결정 실리콘과 다결정 실리콘이 아몰포스 실리콘과 비슷한 비율로 시장을 점유하고 있었다. 그러나 2005년도 시장현황을 볼 때 결정질 실리콘 태양전지의 시장 점유율이 90% 이상으로 급격히 증가했다. 그 이유는 대량생산, 신뢰성, 수명, 효율과 원료수급 면에서 우수한 결정질 실리콘 태양전지가 태양전지 시장 증가의 주요 원인인 주택 및 소규모 발전용으로 적합하기 때문이다. 또한 이전의 반도체 산업을 통해서 형성된 원료생산, 관련설비, 인적자원 등과 같은 반도체 인프라를 이용하여 쉽게 대량생산 체제를 갖춤으로써 급격히 증가하는 시장 수요에 대처할 수 있다는 장점이 있다. 태양전지 전문가들도 최소한 향후 10년 이상은 결정질 실리콘 태양전지가 시장을 주도할 것으로 예상하고 있다. 최근 실리콘 원료 수급 문제로 결정질 실리콘 태양전지 시장이 위축될 것을 한편으로 우려하였으나, 2005년에 전년대비 45% 시장 성장률을 나타내면서 전문가들도 향후 실리콘 태양전지 시장은 물론 전체 태양전지 시장의 지속적인 성장을 내다보고 있다.
결정질 실리콘 태양전지는 복잡한 제조공정과 높은 가격에도 불구하고 여전히 태양광 시장을 주도하고 있으며, 당분간도 계속 주도할 것이다. 이러한 이유는 자연에서 풍부하게 실리콘을 얻을 수 있으며, 높은 효율을 가지며 반영구적이기 때문이다. 결정질 실리콘의 태양전지는 전체의 87.6%를 차지하고 있다. 단결정 실리콘과 다결정 실리콘은 오랜 기간 동안 비슷한 생산량을 가져 왔으나 최근 다결정 실리콘은 단결정 실리콘 보다 더 많이 생산되고 있다. 결정질 실리콘 외에는 비정질 실리콘이 주도를 이루고 있으며, 실리콘 이외의 재료는 전체 시장의 1% 미만을 보이고 있다. 즉 실리콘을 이용 한 태양광 생산은 전체의 99% 이상을 차지한다.
- 참고문헌
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참고 문헌
결정질 실리콘 태양전지의 발전과 현황 (김경해, 이준신, 물리학과 첨단기술의 세계)
유기박막 태양전지 개발 동향 (신원석 외 2명, Polymer Science and Technology vol19 no3 June 2008)
유기박막 태양전지 개발 동향과 전망 (신원석, 문상진, 한국화학연구원 에너지소재연구센터)
화학기상증탁법을 이용한 대면적 그래핀 합성 연구 (김형근 외 3 명, 2010년도 대한기계학회 마이크로/나노공학 부문 춘계학술대회 논문집, pp43-44)
Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films (K. S. Novoselov, A. K. Geim 외 6 명, Science 22 October 2004, pp 666-669)
Synthesis of Large‐Area Graphene Layers on Poly‐Nickel Substrate by Chemical Vapor Deposition - Wrinkle Formation (Seung Jin Chae 외 12 명, Advanced Material 2009 pp 2328-2333)
Enhanced dye-sensitized solar cell using graphene-TiO2 photoanode prepared by heterogeneneous coagulation (Shengrui Sun 외 1 명, Applied Physics Letters 96 2010)
염료감응형형 태양전지 기술, 시장, 연구동향 및 분석 (이태규, ㈜나노팩)
염료감응형 태양전지와 Photoswitching 유기재료 (염료감응형 태양전지 연구소)
염료감응형 태양전지 기술개발 동향 (전황수 외 2명, 주간 기술동향 통권 1409호, 2009. 8. 12, 정보통신 연구 진흥원)
염료감응형 태양전지의 현황과 향후 동향 (김기수, 한국과학기술정보연구원)
광전기화학형 염료감응형 태양전지 기술 (서선희 외 1명, 물리학과 첨단기술 July/August 2007)
Product Catalogue (Dyesol, December 2010)
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