유기 박막 태양전지 세계 최고 수준의 변환 효율 5.5% 실현

 

 

토레이 주식회사(Toray)는 자사의 핵심 기술 중 하나인 고분자 과학과 유기 합성 화학의 융합에 의해 유기 박막 태양전지의 핵심 재료인 폴리머계 도너 재료를 신규 개발해 유기 박막 태양전지로서는 세계 최고 수준의 변환 효율 5.5%의 실현에 성공했다.

유기 박막 태양전지의 발전층은 빛을 쬐면 전자를 방출하는 도너 재료와 방출된 전자를 받아 전극(음극)까지 옮기는 억셉터 재료로 구성되는데, 이번 성과는 독자적인 분자 설계에 의한 신규 도너 재료의 개발에 의해 달성한 것이다. 향후, 2015년경의 실용화를 위해 재료의 성능 향상을 도모한다.

학회에서 발표된 공개 데이터에 근거해 지금까지 유기 박막 태양전지 변환 효율의 세계 최고치는 5.15%로 여겨진다.

화석연료의 고갈이나 온난화 가스인 CO2 배출 문제 등 심각해지고 있는 에너지 문제에 대해서 환경을 생각하는 유력한 전기 에너지원으로서 태양전지가 주목 받고 있다. 그러나, 현재 주류인 실리콘계 무기 태양전지는 제조 프로세스가 복잡하고, 고진공, 고온의 장치가 필요한 등 비용 측면에서의 과제가 있어 일반 가정에 폭넓게 보급되지는 못하고 있다.

한편, 차세대 태양전지의 유력한 후보로 유기 반도체를 이용한 유기 박막 태양전지의 연구 개발이 전 세계적으로 활발해지고 있다. 유기 박막 태양전지는 인쇄법이나 잉크젯법 등 코팅 공정에 의해 대면적으로 간단하게 제작 가능하기 때문에 저비용화 실현이 가능하고, 또 플라스틱 필름 등에 막을 입힐 수 있어, 휴대 기기용 전원이나 웨어러블 전원 등 폭넓은 용도 전개가 기대되고 있다. 그러나, 변환 효율이 낮은 것이 실용화의 가장 큰 걸림돌이었다.

토레이는 이번에 독자적인 폴리머 설계 기술과 유기 합성 기술을 구사해 유기 박막 태양전지의 변환 효율 향상의 핵심이 되는 폴리머계 도너 재료를 새롭게 개발했다. 본 도너 재료는 폴리머 골격에 억셉터 재료와의 에너지 차이를 높이는 구조를 도입해 약 1V 높은 개방 전압(Voc：Open-Circuit Voltage)을 실현했다.

또, 최적의 발전층 구조의 형성을 가능하게 하는 치환기를 도입해 합선 전류(Jsc：Short-Circuit Current)를 전압과 함께 높은 수준으로 만족시키는 데 성공했다. 이것에 의해 유기 박막 태양전지에서는 세계 최고 수준의 변환 효율인 5.5%를 달성했다.

게다가 실용 내구성에 영향을 주는 산화에 대해서 안정적인 분자 구조를 도입해 대기 중에서의 장기간 보존에도 높은 성능을 유지할 수 있다.

토레이는 향후, 변환 효율 7%의 실현 등을 목표로 재료 기술을 조기에 확립해 경량이면서 유연한 태양전지 등 유기 재료의 특징을 살린 유기 박막 태양전지의 실용화를 향해서 개발을 가속한다.

덧붙여 본 연구 성과는 3월 30일~4월 2일에 개최되는 춘계 응용 물리학 관련 강연회에서 발표될 예정이다.