▣ 日 동경대학과 JST, 최박·최경량의 유기태양전지의 실현에 성공

<연구 성과 개요>


유기 반도체를 이용한 태양전지는 인쇄 수법 등 액체 프로세스에 의해 고분자 필름 위에 용이하게 제조할 수 있기 때문에, 대면적・저비용・경량성을 동시에 실현될 수 있을 것으로 기대되고 있습니다. 그러나, 유리 기판상과 동일한 정도의 고에너지 변환 효율을 가지는 유기 태양전지를 유연성이 좋은 박막의 고분자 필름상에 액체 프로세스를 이용해 제작하는 것은 곤란하여, 그 해결책이 요구되고 있었습니다.


도쿄대학(東京大學) 대학원 공학계 연구과의 소메야(染谷) 교수나 세키야(關谷) 준교수들은, 유기용제에 p형 반도체와 n형 반도체를 브랜드 해 용해한 잉크를 이용하여, 두께 1.4 마이크로 미터라는 극박의 고분자 필름에, 유기 반도체 박막을 균일하게 형성하는 프로세스 기술을 개발하고, 세계에서 최박인 동시에 최경량의 유기 태양전지를 고분자 필름상에 제작하는 것에 성공했습니다(그림 1). 이 유기 태양전지 1g 당 발전량은 10W에 상당해, 이 값은 모든 태양전지와 비교해도 최경량, 최박, 최유연한 태양전지입니다(그림 2). 또, 이 초박형 유기 태양전지는 곡률 반경 35미크론으로 접어 구부려도, 에너지 변환 효율 4.2%를 유지하면서 기계적으로도 고장나지 않습니다. 또한 이 박형 유기 태양전지를 응용하여, 300% 신축시켜도 전기적・기계적인 특성이 열화하지 않는 신축 자재인 태양전지를 실현했습니다.


태양전지의 초경량화・초박형화 달성에 의해, 향후, 태양전지의 휴대용 정보통신기기로의 응용이나, 몸에 붙여도(착용) 무게를 느끼지 않는 헬스케어나 의료용 디바이스의 전력 공급원 등 새로운 용도가 확대할 것으로 기대됩니다. 본 성과는 4월 4일 오전 0시(일본 시간) Nature Communications잡지 온라인 판에 공개되었습니다.


<연구 성과 배경>


최근, 환경 에너지의 관심이 높아져, 기존의 발전을 보충하는 재생 가능한 클린 에너지, 특히 태양전지의 중요성이 늘어나고 있습니다. 태양전지의 발전량은 기본적으로는 면적에 비례하기 때문에, 태양전지의 대면적화를 저비용으로 실현되는 것이 요구되고 있습니다. 또, 태양전지의 대면적화에 수반하여, 경량화, 내충격성의 향상(유연화)도 요구되고 있습니다.
현재 넓게 상용화되고 있는 태양전지는 유리 기판에 실리콘을 재료로 제작되고 있어 내충격성이 충분하지는 않습니다. 또, 유리기재를 얇게 하면, 제조 시나 사용 시에 깨져 버리기 때문에, 태양전지의 경량화를 진행시키는데 있어서의 장해가 되고 있었습니다.


이런 배경 가운데, 유기 반도체를 이용한 태양전지는 인쇄 수법 등 액체 프로세스에 의해 고분자 필름 위에 용이하게 제조할 수 있기 때문에, 대면적・저비용・경량성을 동시에 실현될 수 있을 것으로 기대되어 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 그러나, 유리 기판상과 동일한 정도의 고에너지 변환 효율을 가지는 유기 태양전지를 유연성이 좋은 박막의 고분자 필름상에 액체 프로세스를 이용해 제작하는 것은 곤란하여, 해결책이 기다려지고 있었다.

Figure 1: Sub-2-μm-thick organic solar cells.

(a) Scheme of the ultra-light and flexible organic solar cell. The layer thicknesses are drawn to scale. (b) Extreme bending flexibility demonstrated by wrapping a solar cell around a 35-μm-radius human hair. Scale bar (also in c,d) 2 mm. (c) Stretchable solar cells made by attaching the ultrathin solar cell to a pre-stretched elastomer. They are shown flat (left) and at 30% (middle) and 50% (right) quasi-linear compression. (d) The device attached to the elastomeric support, under three-dimensional deformation by pressure from a 1.5 mm-diameter plastic tube. (e) SEM image of the PET surface of the solar cell in compressed state. The radius of curvature for the shown wrinkles is estimated to be on the order of 10 μm. Scale bar 500 μm.


<연구 성과>


연구 그룹은 세계에서 최박인 동시에최경량인 유연한 유기 태양전지의 실현에 성공했습니다(그림 1). 이 초박형의 유기 태양전지는 고분자 필름상에 제작되고 있습니다. 곡률 반경 35미크론으로 접어 구부려도, 에너지 변환 효율 4.2%를 유지하면서 기계적으로도 깨지지 않습니다. 실제로 사람의 머리카락(반경은 100미크론 정도)에 감을 수도 있습니다.


이 유기 태양전지 1g 당 발전량은 10W에 상당하며, 이 값은 모든 태양전지와 비교해도 최경량, 최박, 최유연한 태양전지입니다(그림 2). 또한 이 박형 유기 태양전지를 응용하여, 300% 신축시켜도 전기적・기계적인 특성이 열화하지 않는 신축 자재인 태양전지를 실현했습니다.


<기술 포인트>


이 유기 태양전지를 실현하기 위한 결정적 수단은, 유기용제에 p형 반도체와 n형 반도체를 브랜드해서 용해한 잉크를 이용하여, 두께 1.4마이크로 미터라는 극박의 고분자 필름에, 유기 반도체 박막을 균일하게 형성하는 프로세스 기술이었습니다.
또한, 미리 펴 둔 고무 기판상에 이 박막 태양전지를 붙이고 나서, 원래의 크기까지 고무 기재를 완화시키는 방법으로, 300% 잡아 당겨도 깨지지 않는 신축 자재인 태양전지에 응용했습니다.


<향후 전개>


태양전지의 초경량화・초박형화에 달성에 의해, 향후, 태양전지의 휴대용 정보통신기기로의 응용이 촉진될 것으로 기대됩니다. 또, 이러한 경량・박형의 유기 태양전지를 컴팩트하게 담아, 우주에 쏘아 올리고 나서 크게 넓혀서 사용하는 전력 공급원, 몸에 붙여도(착용) 무게를 느끼지 않는 헬스케어나 의료용 디바이스의 전력 공급원 등 새로운 용도가 확대될 것으로 기대됩니다.

상세 정보 : http://release.nikkei.co.jp/attach_file/0306903_01.pdf


관련 URL : Ultrathin and lightweight organic solar cells with high flexibility

http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n4/full/ncomms1772.html

<출처>일본경제신문, 2012. 04. 04

Posted by TopARA
,