본 연구개발은 후지모리공업(藤森工業)과 펙셀테크놀로지(Peccell Technologies)의 공동으로 실시되었으며, 낮은 비용으로 양산할 수 있는 유연한 플라스틱 색소증감 태양전지를 저온성막(低?成膜)법과 전극재료의 개선 등에 의해 고효율화시키고, 시제품 모듈에 높은 광발전 성능과 높은 내구성을 부여함으로써 비용 대비 성능비(cost performance ratio)가 높은 광발전시스템을 개발하였다.
일본 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO; New Energy and Industrial Technology Development Organization)는 ‘2020년에 발전 비용 14엔/kWh를 달성하기 위한 태양광 발전시스템 제조기술’을 실현하기 위하여 저비용 고효율 유기 태양전지 기술개발을 지원하고 있다. 본 프로젝트는 유기 태양전지 기술인 색소증감 태양전지 중에서 더욱 저비용화를 실현한 플라스틱 기판형 색소증감 태양전지에 대하여 집적형 모듈의 제작과 고효율화를 추진하며, 실용 면에서 필요한 높은 내구성을 입증하고, 유연함, 경량, 저비용을 특징으로 하는 태양전지를 넓은 산업분야로 응용하는 것을 목적으로 하였다.
플라스틱 색소증감 전극은 ITO-PEN(Polyethylene Naphthalate)을 기판으로 사용하여, 소성이 불필요한 바인더 프리(binder free)형 산화티탄 페스트(paste) 도장과 저온건조(120℃)로 제작되었다. 페스트의 분산 향상, TiO2 나노입자의 입경분포와 다공막 두께의 최적화를 통하여 N719색소를 증감제로 사용한 소형 셀로 5.9%(1 sun)~7.0%(1/8 sun)의 변환효율을 얻었다. 플라스틱 대극(?極)은 종래의 백금 촉매를 대신하여 높은 요오드환원의 전류활성을 가지며, 저온에서 도포 및 인쇄 가능한 투명한 다공질 촉매재료를 무기산화물 나노재료와 전도성고분자(PEDOT; Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))의 복합페스트에 의해 제작되었다. 이 페스트를 ITO-PEN에 피복하여 만든 플라스틱 대극은 백금계 유리 대극과 비교할 경우 90%의 대극성능(?極性能)을 나타내었다.
기술 개발 내용을 구체적으로 설명하면, ITO막을 대체할 저가이며 낮은 저항을 가진 투명한 전도막을 담지시킨 색소 증감 태양전지용 플라스틱 전극기판을 상온상압의 인쇄식 공정을 통하여 제작하는데 성공하였다. 투명전도막에는 내부식성 금속 마이크로 그리드(grid)의 메쉬패턴(mesh pattern)을 사용, 광투과율 75% 이상, 시트(sheet)저항치 0.3Ω, 요오드전해액 중의 85℃ 보존내구성 1,000시간 이상을 달성하였다. 이 플라스틱 기판을 사용하여 만든 플라스틱 색소증감 태양전지는 64cm2 이상의 크기에서도 양호한 집전효율과 광전류-전압특성을 보여주며, 대(大)면적화에 유효한 것으로 입증되었다.
이상의 기술을 바탕으로 직렬연결 형식의 플라스틱 색소증감 태양전지의 서브모듈(10 cm ~ 30 cm)을 제작하여 최대 변환효율 4%를 얻었다. 그러나 목표치 6%에는 이르지 못했다. 또한 이 서브모듈을 집적한 대(大)면적의 경량 플렉시블(flexible) 모듈(0.8 m×2.1 m, 무게 0.8 kg/m2)을 제작하여 일반에 공개하였다. 실내조명의 확산광(Diffused Light)을 이용하여 112V 이상의 발전능력을 입증하였다. 또한 플라스틱의 고화질 가공기술로 서브모듈의 연결부분 면적을 최소화하고 개구율을 90% 이상 높여, 광 이용효율을 개선하는데 성공하였다.
봉지기술(encapsulation)과 전해액 조성을 개량하여 플라스틱 모듈의 보존 내구성을 높이고, JIS 규격 C8938 환경가속내구시험에 대해 평가하였다. 연속광조사(50℃)시험에서 800시간의 내구성(노화 50%)을 얻어 기준값을 만족시켰다. 고온고습조건(55℃, 95%)에서의 시험에서는 250시간 내구수명에 도달했으나, 85℃ 및 85% 조건에서의 내구수명은 달성하지 못하였다. 또한 히트사이클(heat cycle)시험에서는 -10℃~55℃에서 내구성 20사이클을 확보하였다.
