발명의 배경 및 필요성

기술 발전의 배경

• 산업 혁명 이후 대규모 화석 연료 소비가 대기 중 이산화탄소 농도를 급증시켜 지구 온난화를 가속화시킴
• 전통적인 에너지 생산 방식이 화석 연료에 의존해 온 결과, 대기 오염과 지구 온난화 문제가 심각해짐
• 1950년대부터 상업적으로 이용 가능해진 태양 전지 기술은 지속적인 연구와 개발을 통해 효율성이 개선되고 생산 비용이 감소함, 이는 재생 가능 에너지로의 전환을 가속화함

기술 개발의 필요성

• 기존 태양 전지 기술의 한계로 인해 건축 및 자동차 산업 등에서의 활용이 제한되어 있음
• 투명 또는 반투명 태양 전지 개발을 위한 연구가 활발히 진행 중이며, 이는 물질 과학, 나노 기술, 광학 설계 등 다양한 분야의 혁신을 필요로 함
• 투명 태양 전지 기술의 성공적인 개발은 건물과 차량의 에너지 효율을 대폭 향상시키며, 에너지 자립 및 지속 가능한 도시 개발에 중요한 역할을 할 것임
• 지구 온난화 문제에 대한 인식을 높이고 지속 가능한 미래로 나아가기 위해 새로운 태양 전지 기술의 개발이 필요함

구현방법

기술 개요

• 본 기술은 빛을 전기로 변환하는 투명 광전 소자를 만드는 것을 목표로 하며, 창문이나 스마트폰 화면 등에 적용 가능

구현 과정

• 투명한 기판 준비: 플라스틱이나 유리 같은 투명한 재료 사용
• 투명 전도체막 형성: ITO 또는 FTO와 같이 빛을 통과시킬 수 있는 전도성 재료 사용
• n형 산화물 반도체막과 p형 니켈 산화막 형성: 전도체막 위에 전자를 운반하는 층과 리액티브 스퍼터링을 통해 증착된 니켈 산화막으로 구성

기술의 장점

• 높은 투명도와 변환 효율 유지
• 자외선을 효과적으로 감지하고 전기로 변환하는 능력 보유
• 각 층이 균일한 다결정질 구조를 가지며, 특히 NiO막 내 나노크기의 결정질 구조(퀀텀 닷)로 인해 성능 향상

실험 및 결과

실험 목적 및 방법

• 장치의 자외선 감지 능력과 전기 변환 효율 검증 및 장치의 표면과 내부 구조 분석을 통한 성능 향상 요소 확인
• 장치에 자외선을 조사하여 민감도 및 전기 변환 효율 측정과 전자 현미경을 사용한 장치의 표면과 내부 구조, 특히 각 층의 다결정질 구조 및 NiO막의 나노크기 결정질 구조(퀀텀 닷) 분석

실험 결과

• 장치는 자외선에 매우 민감하게 반응하며, 약한 자외선도 효과적으로 감지 및 전기로 변환 가능
• 장치의 각 층이 균일한 다결정질 구조를 가지고 있으며, NiO막 내 나노크기의 결정질 구조(퀀텀 닷)는 성능 향상에 기여

활용 방안 및 기대효과

투명 태양 전지의 다양한 활용

• 건물 창문, 차량 유리, 휴대 전화 유리 커버 등 빛이 필요한 곳에 설치해 태양광을 전기 에너지로 변환
• 유연성을 이용해 다양한 형태와 크기로 제작, 맞춤형 솔루션 가능
• 실내외에서 높은 효율의 에너지 수확 가능

기대되는 효과

• 투명 태양 전지를 통한 태양광 전력 생성 혁신
• 자외선을 강하게 흡수하고 가시광선을 통과시켜 높은 전환 효율 및 실용성 확보
• 사용성과 미적 요소를 고려한 지속 가능한 에너지 솔루션 제공
• 일상적인 표면을 에너지 생성 소스로 활용하여 환경 문제 해결에 기여

시장 동향

재생 가능 에너지 시장 동향

• 수소 기술이 신뢰할 수 있는 대체 에너지원으로 부상하고 있으며, 재생 가능 에너지 생산 비용 하락과 사회적 관심 증가로 인해 가정용 전력원 및 자동차 동력원으로의 가능성이 높아짐.
• 장생 가능 에너지 시장 규모는 2050년까지 11조 달러에 육박할 것으로 예상됨.
• IRA는 청정 수소 생산을 확대하기 위해 기업에 세금 공제 혜택을 제공하며, 바이오가스 산업도 지원을 받음.
• 오스테드는 에너지 생산 기반의 85%를 화석연료에서 재생 가능 에너지로 전환하여 98%의 에너지 발전을 재생 가능 에너지로 제공하고 있으며, 해상풍력의 가격경쟁력이 향상됨.
• 구이저우성은 신에너지 및 재생 가능 에너지 설비 용량이 전체 발전 설비의 54%를 차지하며, 에너지 스토리지 설비 건설을 적극 추진 중임.

물질 과학 시장 동향

• 이차전지 핵심 재료인 '양극재'의 세계 최초 '하이 니켈 양극재' 양산으로 인한 수출 성장세가 뚜렷함
• 수산화 리튬 신공장 증설로 연간 생산량이 현재의 1.4만 톤에서 4만 톤으로 대량 생산 체제 갖춤
• 이차전지 제조 장비 기업의 공급계약 체결액이 2021년 대비 185% 증가함
• 2050 탄소중립 실현을 위한 전기차 보급 확대로 인한 이차전지 수요 폭발적 증가