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염염염염료료료료감감감감응응응응형형형형 태태태태양양양양전전전전지지지지를를를를 이이이이용용용용한한한한 공공공공동동동동 주주주주택택택택 등등등등

고고고고단단단단열열열열 BIPV 창창창창호호호호제제제제품품품품제제제제작작작작 기기기기술술술술개개개개발발발발

(최종보고서)

2012. 2. 23.

(주) 이 건 창 호

서서서서 울울울울 특특특특 별별별별 시시시시

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제제제제 출출출출 문문문문

서울특별시장 귀하

본 보고서를 “염료감응형 태양전지를 이용한 공동 주택 등 고단열 BIPV 창호제품 기

술개발”(개발기간：2011.01. ~ 2012.02.)과제의 최종보고서로 제출합니다.

2012. 2. 23.

주관기관명ː (주)이건창호 (대표자) 안 기 명 (인)

총괄책임자 ː 정 성 훈 ((주)이건창호) 참여연구원 : 이 찬 종 외 10

설계/시공 : 권 순 진 외 4 창호/모듈 제작 : 문 성 호 외 4

용역관리 · 책임자 : 서울특별시 기후환경본부장 성명 임 옥 기

환경정책과장 성명 김 영 성

녹색산업팀장 성명 박 웅 빈

주무관 성명 이 학 천

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서서서서 문문문문

1111.... 과과과과업업업업목목목목적적적적 및및및및 필필필필요요요요성성성성

가. 아파트 • 고층 건물이 많은 서울의 도시 특성에 적합한 에너지 절감, 효율, 심미성을 갖춘

신재생 에너지 기술원(염료감응형 태양전지) 개발

나. 염료감응형 태양전지 상용화 • 상품화에 대비하여 민간이 개발 • 보유한 기술을 검증하는

실증 R&D 지원으로 향후 대량 양산 보급 및 BIPV 시장 확대 선점 기반 마련

2222.... 과과과과업업업업의의의의 범범범범위위위위

가. 공간적 범위 : 서울시인재개발원 등 서울시 소유건물을 대상으로 함

나. 시간적 범위 : 계약일로부터 14개월

다. 내용적 범위 : 염료감응형 태양전지를 이용하여 공동주택 등에 신재생에너지 보급 확대에 적합한

고단열 BIPV 창호 설계 • 제작 • 설치 • 모니터링 및 서울시 적용방안 도출

1) 내구성과 효율이 높은 염료감응형 태양전지 모듈 및 패널 개발

- 모듈제작 : 효율 7%(300×300㎟), 내구성 10년

내구성 핵심소재인 외부 밀봉재료 및 전극재료 보호재료 개발

- 패널제작 : 효율 6%(1000×800㎟), 패널화 손실률 15%

실측 모듈 출력 = 이론적 모듈 출력(서브모듈 300×300㎟, 7%)×85% (손실률 15%)

2) 고단열의 태양광발전 창호건자재 개발

- 공동주택 유형별 일사량 등 태양광 발전설비 적용 설계인자 도출

- 태양전지 효율 감소를 방지하는 창틀 설계 및 부자재 개발

- 염료감응형 태양전지와 결합된 고단열 창호시공 기술개발

- 태양전지 창호의 태양광 발전 성능을 최적화하는 인버터 등『최적운영시스템』개발

3) 대면적 고단열 BIPV 창호 시제품 제작 • 설치 • 운영 • 검증 및 서울시 적용방안 도출

- 서울시인재개발원 등 서울시 소유건물에 설치하여 모니터링시스템을 통해 개발기술의

아웃도어에서의 운전데이터를 수집 • 분석, 성능검증 및 서울시 적용방안 도출

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구 분 성능지표 기준 목표 평가 방법

태양전지

분야

모듈 효율 900㎠ 7% IEC-61646

모듈 내구성 - 10년 IEC-61646 및 광조사 시험

패널 제작 8,000㎠ 6% 자체 IV curve

패널화 손실률 - 15% 자체 IV curve

고단열

창호 분야

단열 성능 2.6W/㎡K 1.5W/㎡K이하 KS F 2278

수밀 성능 - 35등급 KS F 2293

기밀 성능 2등급 2등급 KS F 2292

구 분 목 표

최적 운영 시스템 개발

-. 블로킹 다이오드(Blocking diode) 및 바이패스 다이오드(by-pass

diode) 내부 설계 및 경량화된 junction box 개발

-. 저출력(700W급) 인버터 및 모니터링 시스템 개발

서울시 시범 사업 적용 -. 서울시 인재 개발원 시범 설치

요요요요 약약약약 문문문문

1111.... 과과과과제제제제 목목목목표표표표 및및및및 평평평평가가가가 방방방방법법법법

1111.... 성성성성능능능능 목목목목표표표표

2222.... 시시시시범범범범 사사사사업업업업

- 5 -

2222.... 연연연연구구구구개개개개발발발발 최최최최종종종종 결결결결과과과과 요요요요약약약약

[표 5] 연구 개발 최종 결과 요약

3333.... 시시시시범범범범 사사사사업업업업

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목목목목 차차차차

제제제제 1 장장장장 서서서서론론론론 ································································································································································································································································································································································································································11

제 1절 개발기술의 중요성 및 필요성 ···························································11

제 2절 국내외 관련 기술의 현황 ···································································18

제 3절 기술개발 시 예상되는 기술적 경제적 파급효과 ···························24

제제제제 2 장장장장 기기기기술술술술개개개개발발발발 내내내내용용용용 및및및및 방방방방법법법법 ····················································································································································································································································································25

제 1절 최종목표 및 평가방법 ·········································································25

제 2절 기술개발 추진방법, 전략 ····································································27

제제제제 3 장장장장 결결결결과과과과 및및및및 사사사사업업업업화화화화 계계계계획획획획 ····································································································································································································································································································31

제 1절 연구개발 최종 결과 요약 ···································································31

제 2절 연구개발 최종 세부 결과 ···································································31

제 3절 연구개발 upgrade 계획 및 사업화 계획 ········································49

제제제제 4 장장장장 참참참참고고고고 문문문문헌헌헌헌 ················································································································································································································································································································································································52

부부부부록록록록

1> 고단열 창호 성적서 (사본)

2> DSSC 내구성 TEST 성적서 (사본)

3> 과제 수행 중 특허 출원 명세서 (사본)

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그그그그 림림림림 목목목목 차차차차

<그림 1.> DSSC의 구조 및 동작 원리 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1 1

<그림 2.> DSSC의 특징………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1 1

<그림 3.> DSSC BIPV 비교…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1 2

<그림 4.> 염료감응태양전지 모듈 구조……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1 3

<그림 5.> 다양한 패턴의 DSSC 모듈 (이건창호, 소니, Dyesol)………………………………………………………………………… 1 3

<그림 6.> 패널 개발 개요……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1 4

<그림 7.> 건물의 에너지 손실도……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 1 5

<그림 8.> 고려대 DSSC panel………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2 0

<그림 9.> DSSC panel 옥외 테스트, AISIN………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2 1

<그림 10.> DSSC panel 옥외 테스트, 중국………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2 1

<그림 11.> DSSC panel 시공, Dyesol, 호주………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2 2

<그림 12.> DSSC-BIPV 일반 복층 구조……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2 8

<그림 13.> DSSC-BIPV 일반 복층 구조……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 2 9

<그림 14.> Glass frit 접합 후………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3 2

<그림 15.> 염료 흡착 공정…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3 2

<그림 16.> 염료 흡착 후……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3 2

<그림 17.> 최적의 서브모듈 효율 측정 data…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………3 3

<그림 18.> 패턴 1의 Diode 사용 전/후 비교 data…………………………………………………………………………………………………………………………………………3 4

<그림 19.> 패턴 2의 Diode 사용 전/후 비교 data…………………………………………………………………………………………………………………………………………3 5

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<그림 20.> 패턴 1의 0° 효율 data……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………3 5

<그림 21.> 패턴 1의 45° 효율 data……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………3 5

<그림 22.> 패턴 2의 0° 효율 data …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 36

<그림 23.> 패턴 2의 45° 효율 data ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 36

<그림 24.> Light soaking Test 결과 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 37

<그림 25.> UV Test 결과 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 37

<그림 26.> 온도 사이클 테스트 결과………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3 8

<그림 27.> 300*300mm 서브모듈 8개를 이용한 대면적 패널 ……………………………………………………………………………………3 8

<그림 28.> 고단열 PVC 창호 소개…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 3 9

<그림 29.> 기밀 시험 가압선………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 1

<그림 30.> 기밀 시험 등급 곡선(전/후) …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 2

<그림 31.> 기밀 시험 Chamber 누기 측정……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………3 1

<그림 32.> 수밀 시험(살수 중) ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 4

<그림 33.> 수밀 시험(살수 중 시료 상태) ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 4

<그림 34.> 가압선 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………4 4

<그림 35.> 압력 조절기 및 압력차 측정 장비 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 5

<그림 36.> 내풍압성 시험 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 6

<그림 37.> 변위 측정 장치 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 6

<그림 38.> 700W급 소형 인버터 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 7

<그림 39.> 웹 모니터링 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 7

<그림 40.> 시스템 Concept 계통도 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 8

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<그림 41.> 인재개발원에 시공될 창호 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 8

<그림 42.> 스테인드 글라스 앞/뒤 ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4 9

<그림 43.> 스테인드 글라스가 적용된 교회 ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 5 0

<그림 44.> 버스정류장 인테리어 조명 …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 5 0

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표표표표 목목목목 차차차차

<표 1.> 주요 태양전지 별 패널화 손실율 비교 13

<표 2.> 국외 경쟁사 현황 22

<표 3.> 국내 DSSC 업체 현황 22

<표 4.> 기대효과 23

<표 5.> 연구 개발 최종 결과 요약 30

<표 6.> Pilot line에서 생산된 서브모듈 효율 측정 data 32

<표 7.> 서브모듈 구조별 by-pass 사용 시 효율 비교 33

<표 8.> Out-door에서 서브모듈 입사각에 따른 효율 비교 34

<표 9.> 국내 창호 성능 표시 방법 및 성능 등급 기준 (KS F 3117) 40

<표 10.> 기밀 시험 결과 42

<표 11.> 수밀 성능 표시 방법 43

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제제제제 1111 장장장장 서서서서론론론론

제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성

1. 개발 기술의 개요

o 염료 감응 태양전지는 아래 그림과 같이 두 장의 투명한 전도성 기판사이에 나노입자로 구성된 다공질의 TiO2 후막, 이 입자위에 흡착된 광감응 염료, 두 전극 사이를 채우고 있는 산화, 환원 물질을 포함한 전해질이 들어 있는 광전지 화학 반응의 태양전지임.

<그림 1. DSSC의 구조 및 동작원리.>

o 외부환경의 영향이 적어 광발전 이용율이 높은 태양전지 - DSSC는 다공성의 광음극 층으로 형성되어 있어 직사광뿐만 아니라 산란광 (흐린 날, 오전/

오후, 입사각이 적은 방향)에서의 발전 효율이 상대적으로 높아 이용률이 높은 태양전지임.

<그림 2. DSSC의 특징.>

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o 의장성이 우수하여 건물일체형 태양광발전(BIPV)에 가장 적합 - 도시화에 따른 고층빌딩의 증가와 지구 온난화에 따른 건물의 그린에너지 비중 확대에 따른

BIPV 수요 확대에 대응. - 광감응 염료의 종류에 따라 칼라화가 가능하고 반투과 특성 및 디자인이 용이해 BIPV시장

에 가장 적합한 태양전지.

<그림 3. DSSC BIPV 비교.>

o DSSC를 BIPV에 활용할 경우 결정질 및 비정질 실리콘 태양전지 및 기타 박막 태양전지와 확연히 다른 구조를 지니고 있어 이의 제품화를 위해서는 일반 PV발전, BIPV/BMPV 등의 쓰임새에 따라 염료감응 태양전지 셀(또는 서브모듈)을 효과적으로 array 하여 출력을 최적화하고 구조적 안정성 및 효율성을 유지할 수 있는 설계, 구조, 재료, 공정, 장비 등 종합적인 패널 기술 개발이 절실히 요구됨.

o 특히, BIPV 유리창호 시스템 개발을 위해서는 본래의 시스템 창호가 가지는 구조 및 기능 (예컨대 기밀성, 수밀성, 단열성, 차음성, 디자인 조화 등)에 일반적 태양전지 모듈(패널), BIPV 패널(실리콘 기반)의 구조와 기능이 융합되어야 하므로 이와 관련한 종합적인 기술적 Know-how가 동시 수반되어야 하며 이와 더불어 시장의 요구와 고객의 요구를 뒷받침 할 수 있는 기반기술, 가격경쟁력 및 생산성을 확보할 수 있는 기술, 재료 및 구조적인 성능과 내구성을 확보할 수 있는 기술의 개발이 필요함.

o 이와 더불어 시장에서의 소비자 요구에 맞출 수 있는 색상과 디자인 필요 - 구조적/심미적 문제를 극복하고 제품화하기 위해서는 소비자의 요구에 맞춘 서브모듈의 구

조와 패턴, 디자인을 반영할 수 있는 기술 및 모듈의 Grid 및 광전극에 대한 재료/인쇄 등의 기술 및 조건 확보 연구를 진행.

- BIPV 창호는 수요자 측면에서 선호하는 색상 및 디자인을 고려해야 함. - See-Through 태양광 창호에 적용하기 위한 DSSC 모듈와 패턴은 높은 투과율, 개구율 및

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미려한 디자인을 고려하여야 함. - 일반적인 DSSC 서브모듈은 W, Z, Monolithic, Grid 등 네가지 구조로 알려져 있으며 각각

의 특징에 따라 발전효율과 심미적 효과 등에서 장/단점을 지님.

<그림 4. 염료감응태양전지 모듈 구조.>

<그림 5. 다양한 패턴의 DSSC모듈(이건창호, 소니, Dyesol).>

o DSSC 패널제작 기술 개발 - 태양전지 모듈의 경우 보통 셀(또는 서브모듈)이 가지는 원래의 광전변환 효율보다 array

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등 패널화 작업을 거치면서 발생하는 저항성분 등으로 패널의 효율이 감소하게 되고 태양전지의 종류나 전극연결 기술의 차이 등으로 인해 손실률에 차이를 볼 수 있어 최적의 패널구조 및 전극연결 기술 등으로 이를 최소화해야 할 필요가 있음.

- 패널화 손실율 = {1 - (패널 효율 / 셀(또는 서브모듈) 효율)} × 100

[표 1] 주요 태양전지 패널화 손실율 비교

TypeCell 효율

(production, %)

Module(Panel)효율

(Series productio

%)

Rate of los

(손실율, %

단결정 실리콘 18 14 22

다결정 실리콘 16 13 19

비정질 실리콘 10.5 7.5 30

CIGS 14 10 39

DSSC 7 5 35

(출처 : 서적 - Planning and Installing PV Systems)

- 이를 위해 구체적으로 저항손실 최소화 기술, 전극연결(배선)에 대한 최적 재료/구조 및 공정기술, 패널 구조 설계에 따른 프레임, 패널기판, 공정 등 패키징기술, PCS 와 연결하는 시스템 구축 기술 등의 개발이 필요.

<그림 6. 패널개발 개요.>

o See-through type DSSC 서브모듈 기술, 서브모듈 Array 기술(배선 및 저항/전력제어 기능 등), 고단열 확보를 위한 시스템 창호 Frame, packaging 설계/제작 기술, BIPV(Building

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Integrated PV) 설계/성능 평가, 시스템 구축을 위해 최적화된 PCS 및 모니터링 등 핵심요소 기술 개발을 통한 제품화.

o 시범 사업을 통해 실제 제품을 설치(면적 176m2 내외)하여 모니터링 시스템을 통한 하루 총발전량 및 발전 총량의 누적을 확인 할 수 있으며 오전 및 오후 시간의 산란광에서의 발전량을 확인 할 수 있어 공동 주택 적용 전에 필요 한 실제 data 수집 및 사용자 편의에 맞춘 장애 발생 시 자동 알림 기능 등 외부 에서도 쉽게 발전량 및 현재의 상태를 확인 할 수 있는 Ubiquitous 체제를 구축한다.

2. 기술개발의 중요성 및 필요성

o 태양전지에 의한 발전에 대한 시장적 요구가 증대되고 있지만, 고가의 발전단가와 원료 수급이 불안한 실리콘태양전지가 시장을 주도하고 있어 실리콘을 대체할 태양전지의 사업화가 요구되는 현실임

o 실리콘 태양전지에 비해 공정 및 단가 경쟁력을 지닌 염료감응형태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell; DSSC)는 그 적용가능성이 높아 활발한 연구가 이루어지고 있으며,

o 특히, DSSC는 상대적으로 원천기술에 대한 진입 장벽이 낮은 장점이 있고, 유기물 소재 특유의 유연성과 가벼움, 친환경성, 심미성, 제조원가 경제성으로, 더욱 활발한 연구개발 및 특허 활동이 기대되는 상황임

o 환경 및 에너지비용 문제가 가장 큰 핵심으로 자리 잡은 현실에서 신재생 에너지 사용 및 그 보급을 확대하여 전기에너지 사용으로 인한 여러 문제 즉, 화석연료 사용으로 인한 에너지 자원고갈, 지구온난화 등 각종 환경 문제와 유가상승 및 의존도로 인한 경제적 부담을 줄여야만 녹색성장의 장기적 국가 목표를 달성할 수 있음.

o 국토가 넓고 기술 및 자본이 풍부한 독일, 일본 등 선진국의 경우 나대지에 건설하는 태양광발전소와 더불어 상용/공공건물 및 일반 주택의 지붕, 입면 등을 적극적으로 활용하는 BIPV가 널리 보급되어 그 사용처 및 시장이 점점 확대되고 있음.

o 국내의 경우 국토의 면적이 좁아 상대적으로 주택/상용/공공건물 모두 고층 비율이 높고 특히, 공동주택(단독주택을 제외한 아파트, 고층 주상복합, 일반 다세대 주택 등)의 비율이 54%이상을 차지하고 있어 넓은 면적을 필요로 하는 태양광 발전소의 설치와 건물의 면적과 음영 한계를 극복해야 하는 BIPV 보급에 불리한 현실.

o 특히, 단독주택은 보통 지붕/입면에 가구평균 3KW(설치면적 25㎡, 결정질 실리콘모듈) 규모로 보급하고 있으나 아파트 등 공동주택 및 고층건물의 경우에는 고층일수록 건물의 지붕/입면의 면적과 음영지역의 확대 등으로 인해 설치면적의 대응이 미흡, 효과적으로 BIPV를 구현하기 어려움.

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o 현재 결정질 실리콘 태양전지를 포함한 대부분의 전력생산용 태양전지는 셀 또는 서브모듈을 연결하여 모듈화 또는 패널화의 단계를 거쳐 상품으로 활용하고 있으며, 대부분의 점유율을 차지하고 있는 결정질/박막 실리콘 태양전지 재료/셀/모듈/시공으로 Supply Chain 이 명확히 구분되어, 생산기반이 잘 갖추어져있어 전력 생산용 발전소와 일부 BIPV 등에 널리 사용되고 있음.

o BIPV의 경우 Mounted 형태로 주로 건물의 지붕, 입면, 스펜드럴, 차양 등의 형태로 시공이 되

고 있으며, 일부 복층창호의 형태로 창호, 커튼월 시공이 이루어지고 있음.

o 그러나 일부 See-through 박막태양전지를 제외한 BIPV 창호는 유리면에 태양전지 셀이 부착된 형태로 밖을 볼 수 있어야 하는 창호 고유의 목적을 침해하여 그 적용이 매우 제한되어 있고 일부 See-through 박막태양전지 또한 변환 효율이 매우 낮은 단점이 있어 BIPV를 건축물 입면적의 대부분을 차지하는 창호구간과 외벽을 대신하는 커튼월(유리외벽) 구간에 활용하지 못하는 안타까운 현실.

o 이를 극복하고 공동주택, 고층건물의 창호/유리외벽 등을 태양광 발전에 활용하여 BIPV 보급을 확대하기 위한 새로운 고효율 See-through 태양전지 및 패널 기술과 건축자제로서 사용이 가능한 BIPV 시스템 창호 등 제품의 개발이 절대적으로 필요함.

o 최근 세계 각국의 저탄소 녹색성장에서 건물분야에 있어 제로에너지주택 또는 탄소제로 빌딩

의 의무화에 대한 구체적 로드맵과 함께 각종 법안 및 인센티브 제도를 강화하고 있음. - 2016년 탄소제로주택 의무화(영국), 2011년 모든 건물의 탄소제로화(EU), 2010년 주택/2015

년에 상업건물 제로에너지화(미국) - 2025년 제로에너지주택의 의무화를 목표(한국)

o 탄소제로주택 또는 탄소제로 비주거건물을 구현 - 열부하 보다는 전기에너지 부하에 대한 절감 또는 제거 기술 필요 - 경제성을 가지고 건물에 적용가능한 기술은 현재로서는 태양광이 유일 - PV모듈을 건물의 외장재로 개발해 건물 외벽에 부착하여 전기를 생산하는 기술(건물일체형

태양광발전 - BIPV)에 많은 관심이 집중 - 현재 전세계 태양광 시장의 약 4% 점유율을 차지(비용문제) - 2015년 BIPV가 전체 태양광시장의 30% 될 것으로 예측.

o 고성능의 PV 모듈을 건축물에 적용하기 위한 필수 요소 - 건물에너지의 30~50% 가 창호를 통해 손실 - 고단열 시스템 창호를 통해 열관리(Energy saving) 필수 - BIPV 의 경우 건축자재로서의 고효율 에너지 항목만족 필요 o BIPV를 위한 고단열 시스템 창호 - 고단열 실현을 위한 일반 복층유리 창호 - DSSC 패널을 창호에 install 하기 위한 Frame 설계 - Frame 내부에 위치하는 초고단열 기능의 Thermal break 개발

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<그림 7. 건물의 에너지 손실도.>

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제 2 절 국내 • 외 관련 기술의 현황

1. 특허 현황 (세부 내용 부록 참조)

o 염료감응형 태양전지를 이용한 BIPV 사업화를 성공하기 위하여 특허 분석을 실시하였으며 자세한 분석보서는 본 보고서의 부록을 참조하기 바라며 특허 분석을 수행한 경과를 요약하면 아래와 같음

o 무기태양전지 분야 기술의 경우 이미 시장이 형성되어 있으나 신 • 재생에너지 개발에 대한 각

국의 정부차원 지원에 크게 의존하고 있어 시장 자립성 측면에서 미흡한 상황으로 주재료인 실리콘의 수급불안과 고가의 초기설치비용 및 미관상의 단점 등을 보완하기 위한 특허가 주를 이루고 있음

- 무기태양전지 기술의 경우 기술적인 측면에서 획기적인 변화 보다는 생산 공정의 단순화, 제품의 소형화, 에너지 변환 효율의 향상 등 기존부터 연구 • 개발되어 오고 있는 기술에서 크게 벗어나지 않을 것으로 보임

- 이미 원천기술에 대한 특허 등록이 대부분 이루어진 상태로 원천기술보다는 응용기술에 대한 수요가 늘어나는 것으로 보임

o 염료감응 태양전지 분야의 경우 특허건수 측면에서 최근 성장세를 타고 있는 기술로써 일본과 한국, 미국을 중심으로 특허가 집중되어 있으며 세 분야 중 가장 큰 증가폭을 나타내고 있음

- 염료감응 태양전지 기술은 일본을 중심으로 제품이 이미 개발된 상태로 외관적인 측면뿐만 아니라 경량성 및 생산단가 측면에서도 무기태양전지를 압도할 것으로 기대되고 있으며 현재 제품화 • 시장성 확보를 위한 특허가 집중되어 있음

- 염료감응 태양전지 소재 중 투명 전도성 기판 관련 대체 소재 관련 및 상기 기판의 안정성을 확보할 수 있는 기술에 대한 특허출원 또한 큰 비율을 차지하고 있음

- 염료감응 태양전지를 최초로 고안한 특허의 권리가 2008년 만료됨에 따라 지금까지 제한되어온 관련 기술에 대한 특허출원이 보다 용이해질 것으로 보임

- 따라서 관련 분야에 라이센스를 취득해 시장 지배력을 높일 수 있는 계기를 마련하는 것이 필요한 상황으로 공격적인 포트폴리오의 구성이 요구됨

o 일본의 염료감응 태양전지 시장은 시장 진입 초기 단계로 Flexible Type의 모바일기기 보조전원용으로 적용되고 있음

o 한국특허에서는 Samsung SDI, 일본특허에서는 Sharp, 유럽특허에는 Siemens, 미국특허에서는 Canon이 태양전지 기술 특허출원에 있어 다출원인 1위로 최다 특허를 출원하였으며 상기의 출원인은 모두 관련 산업분야의 선도업체임

o Samsung SDI의 경우 무기태양전지 기술뿐만 아니라 2003년부터는 염료감응 태양전지에 대한 기술개발 또한 진행되고 있는 것으로 보이며 모듈 뿐만 아니라 전해액, 전극 등의 전체적인 생산 공정에 중심을 두고 있는 것으로 나타남

- Samsung SDI는 기존 액체 또는 반고체 전해질을 대체하는 겔 타입의 전해질을 이용하여

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누액 및 휘발로 인한 광전변환효율을 최소화함과 동시에 안정성을 향상시켜 수명 특성을 개선토록 하는 기술이 특허로 출원됨(한국공개특허 2009-0022383)

- 한국특허의 경우 한국전자통신연구원이 염료감응 태양전지 분야의 특허를 50여건 출원하여 최다 출원기관이며, 한국전기연구원, 한국과학기술연구원, 한국에너지자원기술연구원 등의 연구기관에 의한 염료감응 태양전지 기술개발이 활발히 진행되고 있음

- 염료감응 태양전지 기술의 특허는 다른 태양전지에 비하여 특허 경쟁력을 보유함

o Sharp의 경우 1990년 최초로 무기태양전지 관련 특허출원을 시작한 후1999년 염료감응 태양전지 관련 태양전지 모듈 기술에 대한 특허를 출원하였으며 전체적으로 태양전지 모듈 관련특허의 비율이 높은 가운데 에너지 변환 효율을 높이는 기술 및 색소 증착 과정에서 안정성을 높이는 기술이 활발히 연구되고 있는 것으로 나타남

- 또한 Sharp의 염료감응 태양전지 기술의 경우 Glass Type으로 BIPV 및 Rooftop 용도의 기술에 중점을 두고 실용화를 위한 모듈의 내구성 개선 및 실증 테스트를 진행 중인 것으로 알려짐

o 독일 기업인 Siemens의 경우 자국이 세계에서 가장 큰 시장을 보유하고 있어 관련 연구 • 개발이 활발한 가운데 시장에서 바로 적용 가능한 무기태양전지 기술을 중심으로 다수의 특허가 출원되고 있음

o Canon의 경우 대부분의 특허가 무기태양전지 분야에 집중되어 있는 가운데 2005년 최초로 염료감응 태양전지 분야의 특허출원이 이루어진 것으로 나타남

o 염료감응 태양전지 기술은 단편적인 기술개발을 통해 형성되는 타 산업과 달리 복합 기술과 자금, 시간의 투자 등을 필요로 하는 기술이기 때문에 규모가 작은 기업에서 기술을 계발하여 상품화하기에는 상당히 어려움이 많은 분야임

- 따라서 보다 전문적이며 복합적인 기술의 도입 및 접근이 용이한 연구소와 기술을 자본으로 전환할 수 있는 제조업체와의 연계를 통한 세계 태양전지 시장으로의 진출이 필요한 상황임

2. 국내외 기업 현황 (부록, 태양전지 산업동향 참조)

o 현재 국내 • 외를 불문하고 염료감응 태양전지 패널을 시스템 창호로 제작하여 제품화하거나 정식으로 그 성능을 발표한 기관 또는 기업이 전무 한 상태.

o 염료감응 태양전지 셀(또는 서브모듈)을 array 하고 flame 에 결속한 형태의 기본적인 패널은 논문이나 전시회 등에서 소개 된 사실이 있으나 그 범위가 매우 간단하고 기본적인 샷시 프레임에 결속된 형태로 한정되어 있고 특히 현대의 창호 고유의 목적기능, 즉 에너지 보존을 위한 고단열, 외부충격에 대응하는 고강도, 차음, 수밀 및 고내구성 등의 성능을 만족하는 시스템 창호와 연동 개발된 사실이 없음.

o 국내 패널(프레임 결속) 개발 현황

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- 고려대학교 고재중 교수(2008년 11월, 앙케반테 케미 발표), 서브모듈 효율 7.3%, 직/병렬로 연결하고 프레임에 결속한 형태, 1.8㎡, 패널 효율 약 5% 예상

<그림 8. 고려대 DSSC panel.>

o 국외 기술 동향 및 수준 - 국외 패널 개발 현황 : Aisin-Seiki (2005년, 일본) Outdoor test 목적, 옥외에 설치, 6개월 동안의 실증연구를 진

행하고 있으며, 실리콘 모듈과의 발전량을 비교하고 있음. 서브모듈(10×10㎠), 8×8 직병렬 array, 0.64㎡ 패널 제작.

: Songyuan Dai Group(2005년, 중국), 500W급 패널(0.36㎡) power station을 구축, 서브모듈 20×15㎠, 효율 6%(aperture), 4×3 array, flame 결속.

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<그림 9. DSSC panel 옥외테스트,AISIN.>

<그림 10. DSSC panel 옥외테스트, 중국.>

: Dyesol (2007, 호주), 건물 외벽(roof type)에 프레임을 설치, 서브모듈을 나열한 형태, 구체적인 효율과 출력에 관하여 published data 가 알려진 바 없음.

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<그림 11. DSSC panel 시공, Dyesol, 호주.>

- DSSC모듈에 대한 전극연결 기술 및 저항제어 기술 등도 아직은 뚜렷한 결과를 발표한 기관 또는 기업이 없는 상태이고 또한 패널 제작 공정에 대한 설계 및 공정기술 개발은 더더욱 미미한 상태.

- 태양광발전 유리창호 시스템에 관한 기술은 독일의 슈코 를 비롯, 일본의 샤프, 중국 선텍 등 많은 실리콘 태양전지 제조업체가 관심을 가지고 태양광 창호 모듈을 개발 중이지만 시스템 창호 기술의 부재로 인해 제품화에 난항을 겪고 있으나, 국내에서는 주관기관인 이건창호 에서 시스템 창호 기술을 활용, 태양광 창호 모듈을 제조하여 국내 여러 건물에 수십~수백 kW급 BIPV system을 설치 시공한 실적을 보유하고 있으며 BIPV 시공 실적에 독보적 1위를 고수하고 있음.

o 염료감응 태양전지를 이용한 BIPV 산업은 시장 태동기로서 염료감응 태양전지를 상품화하고

자 하는 일본의 기업이 BIPV 상품화 경쟁업체로 예상됨

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업업업업 체체체체 개개개개발발발발 내내내내용용용용

동진쎄미캠

태양전지를 자동차에 설치해 자동차용 보조 전원으로 사용하는 솔라

프(Solar Sunroof) 선보임

- 연비를 개선할 수 있으며 자동차 실내내부 온도 조절이 용이함

삼성SDI'비전(Build Leading G·R·S Company)'을 발표, 2015년까지 매출 10

을 달성 목표로 선정

이건창호

2007년 `이건솔라윈(EAGON SOLAR-WIN)`이라는 태양광 창호 브

를 출범

- `BIPV(Building Integrated Photovoltaic System)`라는 `건자재 일

태양광발전 시스템`을 고안함

프리샛

프리샛은 중국의 메이저 태양전지 업체인 트리나 (Changzhou T

Solar Energy Co.,Ltd.)와 한국 내 태양전지 모듈에 대한 판매대행

을 체결함

상보ETRI의 ‘플렉시블 염료감응형 태양전지’ 기술이전 받아 친환경 저

지 신사업을 추진 할 수 있음

우리솔라

최근 무기물 실링재의 일종인 글래스 Frit을 이용해 10년 이상의 수

유지할 수 있는 고 내구성 염료감응 태양전지 제조에 성공했으며,

샛과 합병환료됨

[표 2] 국외 경쟁사 현황

o 한국의 경우, 동진쎄미캠, 삼성SDI, 이건창호, TG에너지, 상보 등이 염료감응태양전지 상용화를 추진하고 있음

[표 3] 국내 DSSC 업체 현황

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제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 • 경제적 파급 효과

1. 기술적 경제적 기대효과

o DSSC-BIPV 사업화 인프라 구축을 비롯하여, DSSC-BIPV 효율 개선 및 표준화가 이루어져, 사업화를 활발하게 하는 촉진제가 될 수 있을 것으로 전망됨

o DSSC 태양광발전산업의 첫 시공 사례로 사업화 방향 및 촉진 기대 o DSSC-BIPV 창호 설치를 통해 DSSC 전용 인버터 성능 시험과 동시에 모니터링을 통해 실시간 발생 출력 및 산란광/맑은날과 흐린날의 발전량 차이등을 마케팅 자료로 사용 o 태양광발전산업의 발전을 견인하여 국가적 경쟁력 강화에 기여

- 21세기 화두인 환경-기술의 융복합 산업군의 발전을 촉진함으로서, - 궁극적인 국가 산업경쟁력 강화에 기여

[표 4] 기대효과

항항항항 목목목목 내내내내 용용용용

매출액 증가율

개발완료시점인 2010년에, 국내 전체태양광발전시장의 10%~15%

규모인 1500억원~2000억원의 BIPV초기 시장 형성

사업화제품 개발 기업을 중심으로 매출증가 주도 및 수요기업 발

DSSC 성능제고 및 대량생산 기술 개발로 인한 BIPV이외에도 다

형태의 비즈니스 모델 개발이 가능하게 될 것이며 이를 통한 신규

매출 달성 가능성 향상

투자수익률 증가 현재 BIPV시스템에 사용되는 실리콘 박막태양전지보다 저렴한

DSSC를 사용함으로써, 생산단가 하락을 통한 순이익 증가

산업 경제적 측면

초고층 건물, 상가 등 대면적 발전가능성을 이용한 상용화를 통해

중점적인 친환경적 대체에너지 기술 확보

DSSC를 이용한 상용화로 국내 BIPV시장의 선점을 통해, 호주의

Dyesol 이 독주하고 있는 DSSC-BIPV시장에서의 진입장벽 감소

통해 국가 경쟁력 상승효과

기술 선도

국내 최초 DSSC의 성공적 시범사업을 통해 서울시 공공 건물의

신규 태양광 창호 설치 사례 전파

단순히 서브모듈을 만드는 기술에서 탈피하여 서브모듈을 패널화

하고 이를 다시 복층화 후 창호로 만드는 일련의 기술 채득과 함께

실제 건물에 적용함으로서 발생될 수 있는 문제점을 경험하여

향후 사업화에 기술 축적

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본 시범사업의 궁극적 목표는 DSSC-BIPV 시스템 창호의 개발과 이를 실제 건물에

용하여 실제 out-door에서의 성능 검증과, 이를 바탕으로 국내의 DSSC 시장을 활성

시키고 나아가 이 연구에서 도출된 결과물이나 파생 과제를 바탕으로 DSSC 시장에

급 및 확산을 유도할 수 있는 구체적인 사업 활동의 기초를 마련하는 것임

구 분 성 능 지 표 기 준 목 표 평 가 방 법

태 양 전 지 분 야

모 둘 효 율 9 0 0㎠ 7 % IEC -6 1 6 46

모 듈 내 구 성 - 1 0 년IEC -6 16 4 6 및 광 조 사 시 험

패 널 효 율 8 ,0 0 0 ㎠ 6 % IV cu rve

패 널 화 손 실 률 - 15 % IV cu rve

제제제제 2222 장장장장 기기기기술술술술개개개개발발발발 내내내내용용용용 및및및및 방방방방법법법법

제 1 절 최종 목표 및 평가 방법

1. 최종목표

o 고효율 및 고내구성 태양전지 모듈 및 패널 개발

1) 고효율 태양전지 개발

참고) 현재 염료감응형 태양전지에 대한 인증 규격이 없음에 따라 “한국 에너지 기술 연구원” 박막 태양전지 표준 규격 인증 시험을 준용하여 평가. 2) 고 내구성 태양전지 개발을 위한 핵심 소재 개발 : 외부 밀봉 재료 인 Glass frit을 포함하는 신규 재료 개발 및 전극 재료 개발. : IEC-61646 기준에 의거 외부 기관의 테스트를 거처 10년 내구성 보장.

3) 대면적 패널 개발 : 300*300㎟(0.09㎠) 모듈의 Array를 통한 1000*800㎟(8,000㎠) 대면적 패널 개발. : 목표 효율 6% (8,000㎠, 유효면적 적용), 패널화 손실률 15% 이하 달성하여 실제 대면적 모듈 제작 기술 확보. o 고단열 태양광 발전 창호 개발 1) 공동 주택 유형별 일사량 등 태양광 발전설비 적용 설계인자 도출 : 앞 동의 그림자에 따른 일조량 및 일사량 변화를 측정하여 태양전지의 출력 영향을 평가 하는 인동간격 조사/분석. : 창문턱/그림자 등에 따른 태양전지 출력 영향을 평가하는 입면설계 조사/분석.

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구 분 성 능 지 표 기 준 목 표 평 가 방 법

고 단 열 창 호분 야

단 열 성 능 2 .6 W /㎡ K 이 하 1 .5 W /㎡ K 이 하 K S F 2 2 7 8

기 밀 성 능 - 3 5등 급 K S F 2 2 9 3

수 밀 성 능 2 등 급 2 등 급 K S F 2 2 9 2

2) 태양광 발전설비와 결합된 고단열 창호 설계/제작. : 기밀/수밀 성능 저하를 방지하는 태양광 발전설비 배선 부자재 개발 : 고효율 기자재 인증 기준 이상의 고단열 창호 설계/제작.

참고) 고단열 창호 기준은 국내 고효율 기자재 인증 기준

3) 태양광 발전 출력을 최적화하는 “최적 운영 시스템” 개발 : 블로킹 다이오드(blocking diode) 및 바이패스 다이오드(by-pass diode) 내부 설계 및 창틀 안에 설치될 수 있는 경량화된 junction box 개발. : 저출력(700W급) 인버터와 모니터링 시스템을 일체화하여 실내에서 쉽고 간편하게 태양전지로부터 발생되는 출력 및 하루 총 발전량 및 상태를 확인 할 수 있는 최적 운영 시스템 개발.

o 시제품 외부 실증 테스트 및 서울시 적용 방안 도출 1) 서울시 공공 건물(면적 176㎡내외)에 설치하여 모니터링 시스템을 통해 효율 내구성 검증을 위한 운전 데이터 수집. 2) 인버터 장애 시 모니터링 시스템에서 지정 담당자에게 문자 발송 하여 빠른 조치가 가능. 3) 중앙 집 중방식이 아닌 스트링방식으로 인버터를 설치함으로써 모듈 Unbalance,  

그림자효과에 의한 발전량 저감, 다이오드 손실에 따른  효율감소를 최소화. 4) 인터넷이 가능한 장소라면 언제/어디서나 모니터링 가능하도록   Ubiquitous 체제를 구축.

2. 최종 목표 평가방법 및 평가항목

o 염료감응 태양전지 서브모듈 및 패널 효율(솔라시뮬레이터) : I-V curve, FF, Efficiency 측정

o 모듈 내구성 측정 : 한국 에너지 기술 연구원 박막 태양전지 표준 규격 인증 시험 준용. (IEC-61646) o 염료감응 태양전지 패널화 손실율 측정 : 서브모듈 출력 및 패널 출력, 효율 비교, 비율 계산

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o 패널 내구성 측정 : 수밀성(KS F 2292), 기밀성(KS F 2293) 등 측정(상용 건자재 내구성 기준)

o 단열성능 측정(KS F 2278)

o 염료감응 태양전지용 전력변환장치(PCS) 최적성능 구현 평가 : Output Power, Power factor, THD : 고효율화(250W 기준), MIC 최대 전력밀도, MTBT

제 2 절 기술개발 추진방법, 전략

1. 기술개발 추진방법 • 전략 o 주관기관인 이건창호는 국내 최고의 시스템 창호 및 커튼월 전문 업체이며 실리콘 태양전지를 이용한 BIPV 시공/설치 능력 및 실적(국내 1위)을 가진 업체로서 DSSC를 패널화 하기 위한 다양한 기술적 노하우를 보유.

o BIPV 노하우를 활용한 강점기술 기반으로 글로벌 경쟁력을 갖춘 미래유망 사업으로 극대화하 여, 기존 실리콘 BIPV 사업에 시너지 효과를 창출.

o DSSC를 개발하는 대부분의 경쟁사의 경우 전지의 성능개선 즉, 효율향상을 위한 재료와 구조 개발에 치중되어 있고 특히 DSSC가 가장 큰 시장으로 주목하고 있는 BIPV의 기술적 구조/ 공정/제조와 시장에서의 소비자 요구에 대한 전반적인 이해가 부족하고 제조/설치/시공 경험이 없어 사업화 성공을 확신하기 어렵지만 (주)이건창호는 태양전지 개발부터 제조/설계/시공/ 설치 까지 요구에 맞춘 전체적인 DSSC BIPV total solution을 제공하여 BIPV 1위 기업의 입지를 더욱 굳건히 할 수 있음.

o 특히, 타 기업에서 보유하지 못한 고단열 시스템 창호 기술을 DSSC-BIPV에 적극적으로 접목 할 수 있는 기술을 개발하고 이에 패널의 성능향상에 필요한 전극연결 및 array 기술, 고단열 고강도의 BIPV 시스템 창호를 위한 단열재 및 Frame, 복층유리창호 기술 등 see-through 태양광 창호를 제품화 하는 전략으로 달성을 극대화.

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<그림.12. DSSC-BIPV 일반 복층 구조>

((((1111)))) 태태태태양양양양전전전전지지지지 연연연연구구구구 파파파파트트트트

o 태양전지용 전극재료 개발 전략 : Ball type 전극재료의 개발 =. Ball 을 형성하는 금속입자의 종류 및 Size의 조절, 전자이동 경로와 접합력의 최적점을 측정 =. UV type의 접합재료를 함께 사용하여 접합력을 증가시키고 동시에 창호의 특성을 고려 한 휨강도 측정. (접합력은 전류밀도를 증가시키나 휨에는 대응하지 못하므로 서로 상관 관계가 있음.) : 서브모듈 전극면 Spot 용접 기술도입 =. 전극면을 이루고 있는 FTO와 Silver grid의 손상을 최소화 할 수 있는 용접 온도 및 재료의 개발 =. 초음파 및 Laser를 이용한 용접기술 도입으로 용접부위의 최소화 및 용접 온도, 용접 시간의 최적점을 측정 =. 서브모듈에서의 전극방향 설정으로 용접을 용이하게 함.

o 태양전지용 패널재료 개발 전략 : 외부유리와 서브모듈의 접합재료 개발 =. Silicon resin 기반의 접합재료의 도입으로 투명성 및 황변현상 내열성을 고려한 재료의 활용, 열경화 type 으로 서브모듈 전체를 일시적 (2 min 내외) 120 에 노출 시켜 경화함. =. UV resin 기반의 접합재료의 도입으로 투명성, 황변제거가 가능하며 낮은 온도에서 경화 가능한 장점을 활용함. =. 접합재료의 주입 기술공정 개발: 액상 type의 접합재료를 주입하는 기술로 서브모듈과 외부 유리의 접합면 사이에 발생할 수 있는 기포를 효율적으로 제거 하며 균일한 두께 유지 및 전극 면으로의 침투를 방지하는 기술을 포함.

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<그림 13. DSSC-BIPV 일반 복층 구조>

((((2222)))) 창창창창호호호호 개개개개발발발발 및및및및 생생생생산산산산 파파파파트트트트

o 고단열 BIPV 시스템 창호 개발 전략 : BIPV 시스템의 특성상 공조구역에 접한 면에 설치되므로 태양전지를 통한 열손실 발생이 필연적이므로 추가적인 단열보강이 필요. = BIPV용 모듈만으로는 단열성능이 매우 낮으므로 복층화 단열기술 도입. = 복층화 기술은 1차적으로 저방사 유리 및 불활성 가스 적용 : BIPV에는 구조적 안정성등의 이유로 AL 부재의 창문이 적용 =. AL 창의 경우 소재의 높은 열전도도로 인하여 낮은 단열성능 =. 이를 해결 할 수 있는 고단열 창틀(Frame) 설계 기술이 필요. =. Thermal Braker로 작용하고 있는 수지 성분의 단열바의 사용 비를 대폭적으로 늘려 단열효과 증가. =. 최종적으로 창틀의 단열성능 Uf=1.5 w/m2K 인 제품 생산.

o BIPV 시스템 창호개발 전략 : PV모듈 고유의 특성인 발전성능과 함께 건축자재로서의 내구성을 포함한 각종 외장재 성능 및 건축환경 측면에서 단열성능과, 일사획득성능, 채광성 등에 대한 종합적 검토가 필요. =. 상호간에 영향을 미치는 인자이기 때문에 독립적으로 해석이 불가 =. 통합해석을 통한 최적 구성에 대한 연구를 기반으로 시스템창호 개발. : DSSC 태양전지의 가시광선 투과율은 발전성능과 반비례적 관계 =. 건축공간의 특성에 따라 투과율 수준의 결정이 매우 중요한 요소 =. 태양전지를 개발하는 연구팀과 초기단계부터 긴밀한 협조체계 필요 : DSSC-BIPV창호 시작품의 최적구성을 위한 창호사양의 도출 =. 시작품에 반영. =. DSSC BIPV 창호의 건축환경 성능평가를 위한 Mock-up 모델의 디자인 및 모니터링 시스템 구축에 대한 기본안을 수립

((((3333)))) BBBBIIIIPPPPVVVV 설설설설계계계계 및및및및 시시시시공공공공 파파파파트트트트 o Full scale Mock-up 모델 대상 각종 건축환경 성능평가 =. 공동 주택 동간 거리 및 일조량/일사량 측정 및 설계인자 도출 =. 실제 건축물에 적용될 경우에 대비한 각종 성능데이터를 도출 (상용화를 위한 기초자료로 활용)

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o. 블로킹 다이오드(Blocking diode) 및 바이패스 다이오드(by-pass diode)를 내장 한 경량화된 junction box 개발 =. 역전류를 방지하는 블로킹 다이오드(Blocking diode) 및 그림자 및 외부 영향으로 출력 저하가 발생하면 패널의 최적 출력점을 찾아 주는 바이패스 다이오드(by-pass diode)를 내장한 경량화된 junction box 개발

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제제제제 3333 장장장장 결결결결과과과과 및및및및 사사사사업업업업화화화화 계계계계획획획획

제 1 절 연구개발 최종 결과 요약

[표 5] 연구 개발 최종 결과 요약

<참고> * 창호 분야 : 단열 및 기밀 성능 - 고효율 기자재 인증 완료 * DSSC 내구성 : Light soaking, UV 테스트 통과/ Temp. 테스트 완료 (박막 기준) * 손실률 : 시범사업을 통해 테스트 예정

제 2 절 연구개발 최종 세부 결과

1. 태양전지 파트

o 염료감응 태양전지를 이용하여 BIPV 시스템을 개발하기 위하여 BIPV제작에 필요한 대형

염료감응 태양전지 제조 공정을 개발하였으며, 최종 BIPV의 사업화를 위하여 염료감응

태양전지의 효율 향상 및 신뢰성 확보는 매우 중요한 요소 기술이다.

o BIPV 시스템 제작에 필요한 신뢰성이 확보된 태양전지 모듈을 제조하기 위하여 모듈 설계,

나노입자 산화물 코팅, 실버그리드 코팅, 염료 흡착공정, 전해질 주입공정 등의 모듈 제조 공정

을 개발하였다.

o 내구성 향상을 위한 모듈 제작 공정

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- 염료감응 태양전지의 신뢰성 확보는 산업화, 상용화를 위하여 반드시 해결해야 하는 요소 기

술로서, 기존의 염료감응 태양전지는 고분자 소재를 이용하여 셀을 패키징하였다. 그러나 태

양빛, 온도 변화 등 외부 환경변화에 고분자 소재가 장기간의 안정성을 확보하지 못하여 염

료감응 태양전지의 신뢰성 확보가 어려운 실정이었다.

- 고분자를 대체하여 glass frit으로 염료감응 태양전지를 패키징하려는 노력들이 지속되고 있

으나, 고분자를 glass frit으로 대체하면, 셀 조립공정에서 450 이상의 glass frit을 녹여 붙이

는 공정이 필요하여, 셀 조립공정의 온도가 염료감응 태양전지를 구성하는 염료의 열분해 온

도보다 높기 때문에 염료 흡착을 셀 조립후에 흡착해야 한다.

- 본 과제에서는 염료감응 태양전지의 신뢰성을 확보하기 glass frit을 이용하여 염료감응 태양

전지를 제조하여 신뢰성을 확보하고자 하였다.

- 태양전지의 패키징 소재를 고분자에서 glass frit으로 대체하기 위하여 그림과 같은 glass frit

을 적용한 셀을 제작하여 신뢰성을 검증하였다.

- 나노입자 TiO2를 코팅하여 500 에서 30분간 가열하고 1차 소성한 전도성 기판에 glass frit

을 스크린 인쇄하여 450 에서 가열하여 광전극을 완성하였다.

- 10mM H2PtCl6 (2-propanolsolvent) Spin Coating하여 450 에서 30분간 가열한 다음, glass

frit가 인쇄하고 450 에서 소성하여 백금상대전극을 완성하였다. 두 기판을 마주하게 하여 1

차 소성된 양쪽 기판의 glass frit을 접착하기 위하여 500 에서 가열하여 전도성 기판을 조

립하였다.

- 양극과 음극이 조립된 염료감응 태양전지의 TiO2층에 염료를 흡착하기 위하여 정량펌프로

한쪽의 구멍에서 다른 구멍으로 염료용액을 순환시켜 염료를 흡착하였다. 사용한 염료는

0.5mM N719 에탄올 용액을 사용하였다.

- 흡착이 완료된 다음에 에탄올을 순환시켜 셀 내부에 남아있는 염료용액을 제거하고, 압축 공

기를 순환시켜 에탄올을 증발시켜 염료가 흡착된 태양전지를 완성하였다.

- 염료가 흡착된 태양전지의 한쪽 구멍으로 전해질을 주입하였으며, 사용한 전해질은 0.5M

4-tert-Butylpyridine(TBP), 0.6M 1-Hexyl-2,3-dimethylimidazoliumiodide, 0.03M Iodine,

0.1M Guanidinethiocyanate을 포함하는 3-Methoxypropionitrile 용액을 사용하였다.

<그림 14. glass frit 접합 후> <그림 15. 염료 흡착 공정> <그림 16. 염료 흡착 후>

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순번 Voc Isc Jsc F.F. Pmax 효율

1 16.4 334.9 0.621 0.495 2.73 5.06

2 16.9 341.9 0.634 0.467 2.71 5.03

3 16.7 345.1 0.640 0.487 2.82 5.23

o 효율 측정

<그림 17. 최적의 서브모듈 효율 측정 data>

-. 300*300 서브 모듈 제작 후 효율 측정은 그림과 같다. 실험실에서 최고 효율은 6.7%로

목표 7%에 소폭 미치지 못하였다.

-. 하지만 pilot line을 통해 생산되어지는 태양전지의 효율은 그림에서와 같이 약 1.5%의

효율 하락을 보인다. 이는 pilot line의 안정화가 이루어지지 않아 발생하는 것으로

계속적인 upgrade를 통해 개선할 예정이다.

[표 6] Pilot line에서 생산된 서브모듈 효율 측정 data

o 전극 연결 최적화

- 아래 결과에서 보는 바와 같이 Diode(blacking or by-pass)를 결합한 서브모듈의 경우 전압

강하가 일어나며 전체적인 효율도 소폭 하락하는 것을 알 수 있다.

- 또한 위 결과로 Diode(blacking or by-pass)를 사용하면 약 4~5% 정도의 효율 저하가 되는

것을 알 수 있다.

- 하지만 Diode에 의한 손실은 향 후 Out-door에서 외부 영향 (그림자 또는 셀 손상) 으로 인

한 출력 저하를 최소화하기 위한 것으로 반드시 사용되어야 한다.

- 또한 이 Diode에 의한 손실을 최소화 하기 위해서는 적절한 Diode의 선택이 매우 중요하다.

Diode의 선택 기준은 I-V curve에 의해서 결정이 되는데 서브모듈의 재현성이 떨어져 I-V

curve가 계속 변화된다면 모두 다른 Diode를 사용해야 하며 그렇게 되면 생산성은 떨어지게

된다. 따라서 서브모듈의 제작 과정에서 효율 및 전압/전류의 I-V curve가 일정하게 유지

되어야 최적의 Diode를 사용하여 손실을 최소화 할 수 있다.

- 34 -

Voc(V)

Isc(mA)

Jsc(mA/cm2) F.F

η

(%)

패턴 1Diode X 14.069 276.00 0.468 0.475 3.125

Diode O 13.662 272.36 0.462 0.466 2.936

패턴 2Diode X 17.545 253.88 0.438 0.502 3.857

Diode O 17.190 251.28 0.433 0.498 3.673

[표7 ] 서브모듈 구조별 by-pass diode 사용 시 효율 비교

cf) 패턴 1 : 서브모듈 300*300mm (20 cell type), 유효 면적 590cm2

패턴 2 : 서브모듈 300*300mm (24 cell type), 유효 면적 580cm2

<그림 18. 패턴 1의 Diode 사용 전/후 비교 data>

- 35 -

Voc

(V)

Isc

(mA)

Jsc

(mA/cm2F.F

η

(%)

패턴 160º 13.927 145.20 0.246 0.604 2.069

0º 14.074 220.81 0.374 0.546 2.876

패턴 260º 17.612 138.211 0.238 0.551 2.312

0º 17.835 198.186 0.342 0.492 3.001

<그림 19. 패턴 2의 Diode 사용 전/후 비교 data.>

o Out-door에서 서브모듈 입사각에 따른 효율 비교

- 위 두 패턴의 효율 저하는 패턴 1의 경우 약 28%, 패턴 2의 경우 약 23%의 효율이 저하된

것을 알 수 있다.

- 이 결과에서 입사각에 따른 data를 보면 DSSC도 입사각에 따른 효율 변화를 감지할 수 있

었으며 따라서 DSSC의 설치에도 입사각을 고려하여 그에 알맞은 설계가 선행 되어야 한다.

[표8 ] Out-door에서 서브모듈 입사각에 따른 효율 비교

cf) 패턴 1 : 서브모듈 300*300mm (20 cell type), 유효 면적 590cm2

패턴 2 : 서브모듈 300*300mm (24 cell type), 유효 면적 580cm2

위 각도는 서브모듈과 태양과의 각을 나타냄,

Out-door에서 태양광으로 측정(2011년 10월. 오후 3시경)

I-V Checker Model : MP-160

- 36 -

<그림 20. 패턴 1의 0º의 효율 data.>

<그림 21. 패턴 1의 45º의 효율 data.>

- 37 -

<그림 22. 패턴 2의 0º의 효율 data.>

<그림 23. 패턴 2의 45º의 효율 data.>

- 38 -

o DSSC 태양전지의 내구성 테스트

- DSSC의 내구서 검증을 위하여 ‘에너지 기술 연구원’에 의뢰하여 다음과 같은 테스트를 진행하였다. - Light soaking Test (43kWh/m2. 60 , IEC-61646 기준) - UV Test (280∼385nm, 15kWh/m2. 60 , IEC-61646 기준) - 온도 사이클 (-20 ∼60 , 200cycle, IEC-61646 기준) -. 위 실험 결과 요약은 아래 그림과 같다. (시험 성적서 별첨)

<그림 24. Ligth soaking Test 결과>

<그림 25. UV Test 결과>

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<그림 26. 온도 사이클 테스트 결과>

o 대면적 패널 제작 - 300*300mm 서브모듈 8개을 사용하여 아래 그림과 같은 대면적 패널을 제작하였다. -. 패널 내부에 그림자 및 기타 음영에 의한 손실을 최소화하기 위하여 by-pass diode를 설치 하였으며, - 대면적 패널 제작 시 전극 연결 손실율은 11.9%로 예상되어 2.2W 모듈 8개로 판넬을 제작하면 실제 출력은 15.5W(17.7W, 11.9% 손실)로 예상된다.

<그림 27. 300*300mm 서브모듈 8개를 이용한 대면적 패널>

2. 고단열 창호 개발 파트 o CONCETP : 이중창의 불편함을 극복한 “고효율 에너지 창호 o 고하중 하드웨어 적용으로 가볍게 창문을 여닫을 수 있고, 창문을 2번씩 여닫는 불편 함에서 벗어날 수 있음. o FIX 일체형 프레임 구조로 외부 전망을 보다 좋게 하였고, 이중창을 열어 놓았을 때의

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지저분한 창틀 라인에서 벗어날 수 있음. o 이중창으로 포기해야만 했던 유리 청소를 손쉽게 할 수 있음. o 최대 35mm 두께의 3중 유리를 끼울 수 있어 유리 선택의 폭이 넓어짐. o 단열성능은 이중창과 동급으로 에너지절감과 더불어 결로를 효과적으로 방지할 수 있음. o 최고 등급의 기밀 성능은 태풍이 불어도 바람을 느낄 수 없음. o 높은 수밀성능은 비바람으로 새어 들어온 물과 먼지로 인해 지저분해진 이중창의 바닥에서 벗어날 수 있도록 함. o 보다 강화된 내풍압 성능은 이중창에서 느낄 수 없는 안전함을 보장.

<그림 28. 고단열 PVC 창호 소개>

- 41 -

o MOCK-UP Test를 통한 단열, 기밀, 수밀 성능 data.

- 국내 창호 성능 표시 방법 및 성능 등급 기준

: "KS F 3117 창세트"에 의거 시험을 하며 시험항목 및 등급 기준은 다음과 같음.

[표9 ] 국내 창호 성능 표시 방법 및 성능 등급 기준 (KS F 3117)

- 42 -

- 기밀 시험(KS F 2292)

: Preload test 시험 방법 : 250Pa(25.5kgf/m²)의 정압으로 1분간 가압한 후 설비와 시료를

점검하여, 본 시험실시 가능 여부를 판단하도록 한다.

허용 규격 시험 설비와 시료에 이상이 없을 것.

시험 결과 이상 없음.

: 시험 방법 : 아래의 가압선 그림에 따라 가압하며 시험에 사용하는 압력차는

10Pa(1.02kgf/m²), 30Pa(3.06kgf/m²), 50Pa(5.1kgf/m²), 및 100Pa(10.2kgf/m²)을 표준으

로 한다. # 추가적으로 70Pa(7.1kgf/m²)을 TEST 함.

: 기밀성 등급 : 등급선은 다음 그림에 의거하며, 환산한 통기량이 각 압력차에 따른 등급

선을 밑돌 때에 그 등급선의 등급을 읽는다.

<그림 29. 기밀 시험 가압선.>

- 43 -

<그림 30. 기밀 시험 등급 곡선(전/후).>

[표10 ] 기밀 시험 결과 :

상태 단위 10Pa 30Pa 50Pa 100Pa

통기량 m3/hm2 1.07 2.22 2.99 4.34

시험 결과 2등등등등급급급급을을을을 만만만만족족족족함함함함.

- 44 -

<그림 31. 기밀 시험 Chamber 누기 측정.>

- 수밀 시험(KS F 2293)

: 시험방법 : 물 분무량은 매분 4l/m²의 수량을 균등하게 분무하며 그 성능 및 등급은 다

음에 따른다.

[표11 ] 수밀 성능 표시 방법

등 급 등급과 대응값 성 능

압 력 차 * 가압중 다음의 상황이 일어나지 않을 것.

　 Pa{kgf/m²} - 창틀 밖으로의 유출

10 100{10.2} - 창틀 밖으로의 물보라 발생

15 150{15.3} - 창틀 밖으로의 내뿜음

25 250{25.5} - 창틀 밖으로의 물의 넘침

35 350{35.7} 　

50 500{51.0}

: 시험 결과 : 500Pa의 압력차에서 10분간 살수한 결과 실실실실내내내내로로로로의의의의 물물물물 유유유유입입입입이이이이 전전전전혀혀혀혀 없없없없었었었었음음음음.

- 45 -

<그림 32. 수밀 시험(살수 중)> <그림 33. 수밀 시험(살수 중 시료 상태)>

- 내풍압 시험(KS F 2296)

: 실험 방법 :

- 시험 장치에 시료 설치.

- 예비 가압 : 500Pa 압력으로 3초 이상 유지하여 3회 가압.

- 개폐 확인 : 창을 5회 이상 개폐 반복한 후 잠금.

- 변위 측정 창치 부착

- 가압 : 최고 압력까지 단계적으로 실시하고, 각 단계에서의 유지 시간은 10초 이상.

- 변위 측정 : 각 압력 단계에서 소정의 면외 변위를 측정

- 개폐 확인 : 창의 개폐 반복을 5회 실시.

- 잔류 변형 및 기능상 이상 유무 확인.

<그림 34. 가압선.>

- 46 -

: 시험 결과 : 본본본본 시시시시험험험험체체체체는는는는 360등등등등급급급급을을을을 만만만만족족족족하하하하였였였였음음음음.

- 표정 거리 : L = 1,290mm

- 휨 허용값 : L/150 = 8.6mm

- 측정치

가압휨(mm)

d1 d2 d3 D

3600 Pa 1.0 0.9 4.1 3.15

<그림 35. 압력 조절기 및 압력차 측정 장비.>

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<그림 36. 내풍압성 시험.>

<그림 37. 변위 측정 장치.>

- 48 -

3.... 설치 및 시공 파트 o 인버터 개발 - DSSC용 700W급 소형 인버터 개발 (전력 밀도 0.5W/㎤, 효율 95% 이상) - 입력 전압 200 ∼ 350 V, 입력 전류 : 2 ∼ 3.5 A의 700W급 인버터 개발 - 태양전지 종류(실리콘, DSSC)별 특성 자동 인식하여 MPPT 가능 - 모니터 1대에 본체 30대 연결 가능 - 근거리 통신을 이용한 본체와 모니터 연결선 없음. - 찾아가는 서비스를 위한 고장분석 시스템 적용 (고장 발생시 설정된 담당자에게 SMS 발송) - 인터넷을 통한 웹 모니터링 가능

<그림 38. 700W급 소형 인버터>

<그림 39. 웹 모니터링>

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o 시범 사업 (인재개발원 패널 설치) - 전체 Concept 및 시스템 연결 : 서브모듈 480 EA (300*300mm 서브모듈) : 대면적 패널 60 EA (300*300mm * 8 ea = 1,200 * 800mm) : 고단열 PVC 창호 30 SET : 인버터 2 EA (3직렬, 10병렬 (4층), 3직렬 10병렬(5층))

<그림 40. 시스템 Concept 계통도>

- 고단열 PVC 창호는 아래 그림과 같다. - 가운데 FIX창이 위치하고 그 양옆으로 OPEN 창이 위치하여 Vision 구간을 확보하였으며 그 양옆으로 대면적 패널이 위치한다. - 또한 DSSC 내부에는 스테인드 글라스 패턴을 적용하여 내부 심미성을 더욱 좋게하였음.

<그림 41. 인재개발원에 시공될 창호>

제 3 절 연구개발 upgrade 계획 및 사업화 계획

1.... 연구 개발 향후 계획

o Pilot line 안정화 - 현재 시판되고 있는 실리콘 태양전지의 경우 다량의 셀을 생산하여 그중 비슷한 셀을 모아

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패널을 제작 내부 저항을 최소화하고 있다. - 하지만 현재 Pilot line에서 생산되는 태양전지의 수량 한계로 인해 내부 저항을 최소화 하지 못하고 있어 그로 인해 패널 손실률이 증가 하고 있음. - 따라서 안정화된 Pilot line을 통해 다량의 태양전지를 생산하여 내부 저항을 최소화한 후 인재개발원에 설치되어 있는 모듈을 upgrade할 예정임.

o 모니터링 계획

- 현재 인재개발원 설치는 4층 15set 창호가 설치되어 있다. (30패널) - 이로인해 생성되는 발전량은 하루 평균 약 1kwh로 하루 평균 약 6시간 발전되고 있어 실리콘의 하루 평균 약 3.5시간 발전되는 것에 비교하여 발전시간은 약 2배 가량이 되고 있다. - 하지만 그 발전량은 이론적 발전량 2kwh에는 절반정도 되는 발전이 이루어 지고 있다. - 위의 pilot line 안정화를 통해 발전량 증가와 더블어 이론적 발전량과 비교하여 적은 발전량의 원인을 방위/흐린날과 맑은날/복층화내 온도/옆건물의 그림자 영향/외부온도 등 다각적인 원인 분석과 테스트를 진행할 예정임. 2.... 향후 사업화 계획

o 스테인드 글라스 - DSSC의 장점인 다양한 염료를 사용하여 여러 가지 색의 태양전지를 제작 할 수 있지만 아직까지는 붉은색 염료가 가장 안정되 효율을 보이고 있어 이로 인해 발생되는 소비자의 불쾌감을 최소화 하기 위하여 개발

<그림 42. 스테인드 글라스 전/후>

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- 위의 그림에서 보는 것과 같이 단순히 심미적인 효과만이 아닌 효율도 약 10% 상승하는 것을 알 수 있음. - 따라서 향후 투명성이 강조되지 않는 사무실 또는 교회/성당 같은 곳으로 사업화 방향이 발전될 것으로 판단됨.

<그림 43. 스테인드 글라스가 적용된 교회>

o 버스정류장 - 서울시 버스정류장 상부 및 측면에 DSSC를 적용하여 발전된 태양전지를 바탕으로 야간 조명 또는 측면의 광고판 조명에 사용할 수 있게 개발 - 서울시 뿐만 아니라 전기를 끌어 오기 힘든 시골에 바로 설치하여 야간 조명을 이용 야간 위치 확인 및 범죄 예방에 도움이 될 것으로 판단됨.

<그림 44. 버스정류장 인테리어 조명>

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제제제제 4444 장장장장 참참참참고고고고 문문문문헌헌헌헌

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17）トポン オンゴンほか：「 増感 カーボ{ン ナノチューブ 極」，フジクラ技 ， 118 号，pp.35 38，2010

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21） 圭\ ほか：「 エネルギー工学 」， 館，p.260，1994

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서울특별시 서울특별시 서울특별시 서울특별시 GT(Green GT(Green GT(Green GT(Green Technology) Technology) Technology) Technology) 육성 육성 육성 육성 R&D R&D R&D R&D 사업사업사업사업

염료 감응 태양전지를 이용한 공동주택 등 고단열 BIPV 창호제품제작 기술개발

1판 1쇄 발행 2012년 2월

발행인 서울특별시장

발행처 서울특별시 기후환경본부 녹색산업팀

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부록

1. 인재 개발원 현장 사진2. 고효율 에너지 인증서 및 고단열 창호 성적서(사본)3. DSSC 내구성 TEST 성적서(사본)4. 과제 수행 중 특허 출원 명세서(사본)

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1. 인재 개발원 현장 사진

- 공사 현장 사진-

- DSSC 설치 후 현장 사진 -

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- 인재 개발원 준공 사진 -

1) 4층 설치 완료 사진

2) 5층 설치 완료 사진

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