연구배경
- 전 세계적으로 직면하고 있는 기후변화 및 에너지 문제에 대한 대응 전략 수립이 절실히 요구 되고 있는 가운데, 무한청정에너지원으로서의 태양광 발전 기술은 최근 급속한 기술개발의 결과로 국가에 따라서는 화석연료 기반 발전단가보다 더 낮은 값을 보여주고 있음
- 하지만 경제성이 더욱 더 확보된 태양전지 발전 시스템 완성을 위해서는 초저가 원소 및 기술 집약 기반으로 한 고효율 태양전지 개발의 필요성이 증대되고 있음
- 태양광을 전기에너지로 전환하는 기술뿐만이 아니라 지구상의 풍부한 물을 활용하여 수소로 전환하는 방법인 인공광합성 기술이 주목받고 있음
- 특히 광전기화학적 인공광합성 기술은 효율적이며, 친환경적이라는 측면에서 주목받고 있으며, 이 기술은 태양전지기술 발전과 더불어 효율 향상이 함께 이루어진다는 장점을 지니고 상용화를 위해 활발히 연구가 되어 지고 있음
- 현재 수소 에너지는 전량 수입에 의존하거나, 온실 가스를 수반하는 화학 공정을 통해서 미량 생산이 됨
- 수소 연료전지 자동차의 보급 확산에 발맞추어 수소 에너지 생산은 세계적으로 중요한 관심 분야로 인식이 되고 있으며 친환경적인 방법을 통한 수소 생산 원천 기술 확보가 미래 에너지 확보를 위한 중요한 자원이 될 것임
연구목적
1) 이중접합 태양전지 개발
- 무기박막태양전지 중 CIGS와 CdTe 박막태양전지가 약 22%이상의 효율이 보고되었으나, 인듐, 갈륨, 카드뮴과 같은 고가, 독성 원소를 기반으로 하고 있어 가격, 환경적 측면에서 원천적 문제가 있음
- 더 낮은 발전단가 확보를 위해 저가 범용 원소 기반의 태양전지 흡수층 개발 및 고효율화 원천기술 개발이 요구됨
- 태양광을 전기에너지로 전환하는 기술뿐만이 아니라 지구상의 풍부한 물을 활용하여 수소로 전환하는 방법인 인공광합성 기술이 주목받고 있음
- 고효율화 가능성이 어느 정도 보고된 페로브스카이트 및 칼코지나이드 광흡수층 물질 위주의 집중적인 소재/소자/공정 관련 원천 기술 개발의 여지가 존재함
- 1.0 eV-1.5 eV의 태양에너지를 흡수할 수 있는 하부태양전지와 1.6 eV이상의 에너지를 흡수할 수 있는 상부태양전지를 개발하여 태양에너지 활용을 극대화할 필요성 있음
- 초저가 및 친환경 원소만을 기반으로 한 광 흡수층 형성 기술을 개발하고 이를 토대로 고효율 고안정성 태양전지를 개발하고자 함
2) 광전기 화학적 에너지 생산 기술 개발
- 광전기화학적 태양광 기반 수소 생산과 관련한 연구는 비교적 오래전부터 연구가 진행되어 현재 태양광-수소 전환 최고 효율 12.3%를 보고하고 있음
- 현재 고효율 광전기화학적 수소 생산 기술은 대체로 태양전지를 동력원으로 하는 텐덤 구조가 대부분을 이루고 있음
- 그러나 이런 고효율 텐덤 구조 소자들은 신뢰성 확보를 위한 기술 진보가 필요함
- 특히 태양전지의 경우 물 안에서 안정적 동작 및 신뢰성 확보가 필요하고, PEC 소자의 경우 지속적으로 발생되는 수소 및 산소 기체로부터 박막의 탈리, 효율 강등 등의 문제점 분석 및 개선된 기술 개발이 필요함
- 현재 PEC 단독 소자로서 효율은 5-6%에 머무르고 있으므로, 상용화를 위한 10%의 효율 달성을 위해서는 태양전지의 동력원을 이용한 텐덤형 융합 기술 개발이 절실히 필요한 실정임
- GaN 기반 PEC 소자는 InGaN을 이용해서 밴드갭 조절이 가능하며, 화학적 안정성이 높고, p/n 접합 및 이중 접합 구조 형성이 가능하다는 측면에서 각광받는 소재로 여겨지고 있으나 실용화를 위한 효율 및 신뢰성 확보가 절실히 필요한 문제를 내제하고 있음
- 효율 및 신뢰성 확보를 위한 GaN 기반으로 한 광전극 기술을 개발하고 이를 토대로 고효율 고안정성 PEC 시스템을 개발하고자 함