[논문]유기태양전지

이광희

유기태양전지 원문보기

이광희 (광주과학기술원 신소재공학과)

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

를 포함한 여러 벤처 회사에서 유기태양전지로 만든 휴대폰 충전기, 스마트 충전섬유 및 건물 외장용 전력생산시스템 등을 시장에 내놓고 판매를 시작하고 있다.^[6,7] 본 기고에서는 미래 신재생 에너지원으로써 전도유망한 유기태양전지의 기본 소자구조 및 동작원리와 함께 고성능 유기태양전지의 개발을 위한 국내외 각국의 연구 동향 등을 살펴보고자 한다.
그러나 모듈형 태양전지를 제작함에 있어 이 Geometric Factor 는 실제적으로 모듈의 효율을 크게 지배하는 parameter로 산업분야에서는 이 Geometric Factor를 극대화하려는 시도가 계속되고 있으나, 기존의 모듈 구조에서 크게 벗어나지 못한 채 한계에 부딪혀 있는 실정이다. 이러한 상황에서 최근 광주과학기술원 이종진 박사와 이광희 교수팀에서 기존 모듈 형태의 유기태양전지의 Geometric Factor를 획기적으로 높일 수 있는 새로운 모듈 구조를 제시하였다.^[30] 기존 모듈 구조에서는 각 소자 연결 부의 전기적 단락(short) 현상을 방지하기 위해서 일정 부분 위치이동(shift)을 제공해야 하지만 새롭게 제안된 SELECT(SEamLEss ConnecTion) 모듈 구조에서는 일반 구조와 역 구조 소자를 교대로 배치함으로써 전기적 연결 부위에서 발생하는 공간 손실을 90% 이상 제거할 수 있게 되었다(그림6 참조).
지금까지 유기태양전지의 구조와 원리, 그리고 유기태양전지 성능향상 및 산업화를 위한 국내외 연구 그룹들의 다양한 연구 결과들을 살펴보았다. 현 시점에서 유기태양전지는 무기물 태양전지에 비해 여전히 개발 및 향상되어야 할 부분이 많다.

가설 설정

그림 3. 유기태양전지의 a) Bi-layer구조와 b) BHJ(Bulk heterojunction) 구조 모식도.

성능/효과

Heeger 그룹에서는 엑시톤 확산 거리가 10nm수준이라는 단점에 역발상하여 기존의 bilayer형태 대신 n-형, p-형 유기반도체 물질을 혼합하여 액상으로 코팅 하는 혁신적인 방식을 제안하였다.^[12] Bulkheterojunction(BHJ)로 일컬어지는 이러한 혼합형태의 구조로 이루어진 광활성층은 n-형, p-형 유기반도체 물질이 10nm수준으로 잘 혼합되어 있어 짧은 엑시톤 확산 거리 문제를 해결할 뿐 아니라, 기존의 이중 층 구조에 비해 n-형, p-형 유기반도체가 맞닿는 계면의 면적을 수 백배 이상으로 확장시키는 효과도 동시에 얻을 수 있음을 발표함으로써 당시 정체되어 있던 유기태양전지 분야에 새로운 전기를 마련하는 계기가 되었다(그림3 참조). 위 BHJ구조는 기존 실리콘 기반의 무기태양전지에서는 찾아볼 수 없는 유기태양전지만의 독특한 구조로서 이러한 BHJ를 바탕으로 현재까지 새로운 유기반도체 물질들이 계속적으로 개발되면서 현재 10%에 달하는 높은 효율의 다양한 유기태양전지들이 활발히 개발되고 있다.
5%의 높은 효율을 보고하였다.^[15] 기존의 PCPDTBT와 PC₇₁BM을 사용한 유기태양전지의 문제점은 두 물질이 너무 미세하게 혼합되어 있다는 것이었는데, 이는 엑시톤확산 효율에는 좋은 구조가 될 수 있지만, 분리된 전하가 이동하기에 통로(pathway)가 좁고 복잡하여 전하수집 효율에는 효과적인 구조가 되지 못한다. 해당 연구에서 도핑용매로 사용된 alkane dithiol은 BHJ를 형성하는 두 물질 (PCPDTBT와 PC₇₁BM) 중 PC₇₁BM만을 잘 녹이는 성질을 가지고 있어 상대적으로 PCPDTBT를 석출시키는 역할을 한다.
이러한 현상은 p-형 고분자의 분자량이 높아질수록 강하게 나타나는데 이런 용해도 불균형 상태의 용액을 사용하여 필름을 형성하게 되면 수백 nm 이상의 고분자의 덩어리가 마치 필름에 박혀있는 것과 같은 심한 상 분리(phase separation)가 발생함으로써 낮은 엑시톤 확산 효율을 갖는 모폴로지를 얻게 된다. 이러한 용해도의 불균형을 해결하기 위해서 p-형 고분자에 대한 용해도가 매우 큰 CN과 같은 용매를 도핑 하여 결과적으로 수십 nm크기의 상 분리를 유도하게 됨으로써 높은 효율의 고분자태양전지를 구현할 수 있게 된다.
이를 위하여 현재 n-형 반도체 특성이 강한 ZnO나 dipole을 형성하는 Cs₂Co₃등의 metal carbonate류를 ITO 계면 전자 수송 층 부에 도입하며, 정공 수송 층 부에는 PEDOT:PSS 류와 더불어 p-형 반도체 특성이 강한 NiO, MoO₃, V₂O₅ 등의 금속산화물을 도입하고 있다. 일례로 2011년에 A. J. Heeger 그룹에서 MoO₃를 정공 수송 층으로 사용한 역구조 유기태양전지를 발표하였는데, 공기 중에 30일 동안 노출하였음에도 초기 효율의 70% 이상을 유지하는 우수한 결과를 보였다.^[28]

후속연구

5%를 발표하면서 구조 개발을 통해서도 효율의 극대화를 달성할 수 있음을 최초로 제안하였다.^[17] 최근에 Y. Yang 그룹에서 새로 개발된 고분자물질을 이용하여 적층형 구조로 7%에 달하는 고효율 고분자 태양전지를 보고했으며, 유럽의 Heliatec사에서는 유기 단분자를 진공증착하여 8.3%의 높은 효율의 적층형 태양전지를 구현하고 있어 향후 물질개발과 함께 구조개발 연구도 지속적으로 진행될 것으로 전망된다.^[18,19]
^[30] 기존 모듈 구조에서는 각 소자 연결 부의 전기적 단락(short) 현상을 방지하기 위해서 일정 부분 위치이동(shift)을 제공해야 하지만 새롭게 제안된 SELECT(SEamLEss ConnecTion) 모듈 구조에서는 일반 구조와 역 구조 소자를 교대로 배치함으로써 전기적 연결 부위에서 발생하는 공간 손실을 90% 이상 제거할 수 있게 되었다(그림6 참조). 또한 이러한 단순 교대 배치를 통한 새로운 모듈 구조는 높은 모듈 효율을 가능케 할 뿐 아니라 제작 공정의 단순화를 제공함으로써 제품의 생산 속도 향상 및 가격 경쟁력에 큰 기여를 할 것으로 예상된다.
이를 위해서는 실험실 규모에서 이루어지는 소자 제작의 핵심적인 원리를 파악함과 동시에 대량생산 가능한 새로운 프린팅 장비의 특징을 이해하여 실험실 규모의 노하우가 최대한 산업쪽에 잘 접목될 수 있도록 해야 한다. 이를 바탕으로 국내의 IT 및 유기디스플레이 분야의 산업적 기반을 최대한 활용한다면 머지않은 미래에 세계를 선도할 또 하나의 신 성장 동력으로 자리매김할 것으로 기대된다.
Yang 그룹 등에서는 유기 단분자 말단에 유기용매에 잘 녹는 작용기(functional group)를 달아서 용액공정으로 안정한 필름을 구현하여 5% 정도의 효율을 보고하였다. 이와 더불어 최근 G. Bazan 그룹과 A. J. Heeger 그룹의 공동연구로 용액공정이 가능한 유기 단분자 태양전지로 6.7%의 세계 최고효율을 발표하여 향후 용액공정을 통한 유기 단분자 태양전지의 개발이 가속화될 전망이다.^[13]

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

실리콘을 이용한 태양전지의 이용 실태는 어떠한가?

[1-3] 이러한 복합적인 상황을 타개하기 위한 방안들 중 하나로 고갈의 위험이 전혀 없는 무공해 태양에너지를 이용한 신재생 에너지 개발이 선진국을 중심으로 경쟁적으로 진행되고 있다. 현재, 태양에너지를 이용한 신재생에너지원으로 실리콘을 이용한 태양전지가 산업화되어 가장 많이 사용되고 있지만, 전력생산 단가가 화석연료와 원자력 발전을 통한 전력생산 단가의 약 10배 정도로 높아 정부 또는 대기업 주도의 대규모 시설투자 형태로 진행되고 있는 수준이다.[4,5] 또한, 유비쿼터스 정보화 사회가 도래함에 따라 차세대 디스플레이인 유연성 디스플레이에 대한 관심이 증폭되고 있고, 이를 구동할 휴대 가능한 유연성 전기에너지원이 요구되고 있는 시점에서 무겁고 깨지기 쉬운 실리콘 태양전지는 이러한 요구에 근본적으로 부합되기 힘든 한계점을 내포하고 있다.

유기태양전지는 어떠한 구조로 제작되는가?

일반적으로 유기태양전지는 양극(anode)/광활성층 (photoactive layer)/음극(cathode)의 단순한 다이오드 구조 형태로 제작된다. 양극과 음극은 보통 일 함수(work function)가 다른 금속을 사용하여 광활성층에서 발생된 전하들이 내부 유도 전위 (Built-in Potential)의 방향에 따라 수집될 수 있게 한다.

유기태양전지의 광활성층의 구조 및 역할은?

일반적인 구조의 유기태양전지에서 양극은 투명성이 좋은 ITO 등의 투명전극을 사용하고 음극은 일 함수가 낮은 Al과 같은 금속을 사용한다. 광활성층은 n-형과 p-형 유기반도체 물질로 구성되며, 태양광(photon)을 받아 전자(electron)와 정공(hole)을 발생하는 역할을 한다. 대부분 p-형 유기반도체 물질이 광 흡수 물질로 사용되며, 태양광이 p-형 유기반도체에 흡수되면 HOMO(the Highest Occupied Molecular Orbital) 준위의 전자들이 LUMO(the Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 준위로 여기 되면서 p-형 반도체 내에 전자와 정공이 발생된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

유기태양전지 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

유기태양전지 원문보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

AI 본문요약
AI-Helper