[논문]고효율 유기 태양전지를 위한 신규 유기 재료의 구조 설계

이상규; 신원석; 이종철; 문상진

고효율 유기 태양전지를 위한 신규 유기 재료의 구조 설계
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문제 정의

1% 효율을 언론에 발표하였다. 본 글에서는 이러한 차세대 신형 태양전지로서의 유기 재료의 구조와 유기 태양전지의 효율과의 관계, 현재의 개발 동향, 그리고 발전 방향에 대해 살펴보고자 한다.
유기 태양전지의 효율을 결정하는 세가지 인자, 개방전압, 단락전류, 필팩터와 광활성층의 유기재료의 분자 구조와의 관계에 대해서는 아직까지 논란의 여지가 남아 있지만 일반적으로 받아지고 있는 사실을 토대로 광활성층의 전자 주개인 유기 재료의 구조와 연관되는 개방전압 및 단락전류 조절을 위한 여러가지 요소들에 대해 이야기해보고자 한다.

제안 방법

지금까지 유기 태양전지의 효율을 위해 수많은 고분자들이 설계되고 개발되었다. 그러한 노력으로 높은 용해도, 낮은 에너지 밴드갭, 강한 광흡수력, 적절한 HOMO와 LUMO 에너지 레벨, 그리고 높은 전하 이동도를 갖는 고분자 개발을 이끌어 상용화에 바짝 다가섰다. 이러한 상용화를 위해서 그 다음 해결해야 할 것이 안정성이다.

성능/효과

이러한 문제점을 어느 정도 해결하는 방법으로 quaternary carbon을 silicon원자로 치환할 경우, HOMO 에너지 준위를 낮춰 산화 안정성을 향상시킬 수 있다. 그러한 예로 silicon-bridged cyclopentadithiophene(Si-CPDT)를 들 수 있으며 CPDT 보다 어느 정도 높은 안정성을 갖는 결과를 보였다. 또한 전자 주개 물질 중에 C_sp3-N이 존재하는 구조가 광화학적 안정성이 떨어지는 특징을 보이며 이는 C-N bond가 라디칼 형성에 따른 산화를 보이기 때문이다.
²¹이러한 예로는 carbazole 단량체를 들 수 있다. 세번째로, 알콕시 곁사슬이 있는 경우 쉽게 빛에 의해 끊어지기 때문에 일반적으로 고분자의 안정성에는 부정적인 효과를 보이지만 앞서 이야기한 C-N bond가 conjugated backbone에 영향을 주는 반면에 알콕시 곁사슬의 경우에는 끊어지더라도 고분자 골격에는 큰 영향을 미치지는 않는다. 결국 곁사슬이 없고 다른 치환체가 안 붙은 thiophene이 가장 좋은 안정성을 보이는데 이보다 더 큰 안정성을 보이는 것이 알킬 체인 등이 치환되지 않은 polycyclic aromatic 단량체, 다시말해 benzodithiophene이나 dithienothiophene이 어느 정도 높은 광화학적 안정성을 보이고 있다(그림 9).
등고선 맵의 가운데 위치한 metal oxide, device fabrication, cathode, anode 등은 유기 태양전지 소자의 버퍼층, 전극 및 소자제작에 관련된 내용으로, 등고선 맵의 상단 및 좌측 하단에 넓게 분포한 광활성층 신규 소재에 비해서는 상대적으로 적은 부분을 차지하고 있으나, 신규 소재의 효율이 적정수준에 오른 최근에 이르러 보다 상업화에 가까운 소자구조에 관련된 일들이 많이 진행되고 있음을 시사 한다. 전체적인 맵에서 차지하는 비중을 보면 광활성층이 대부분을 차지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은 신규 광활성 소재 또는 광활성소재의 morphology 조절 등을 통한 유기 태양전지의 고효율화에 관한 연구가 가장 많이 진행되어왔다는 것을 보여주는 것이라고 할 수 있겠다.
광화학적 안정성은 전자 받개의 구조에도 영향을 받는데, 앞서 이야기했던 전자 주개 모노머의 안정성과 비슷한 경향을 보인다. 즉, 고분자의 HOMO 에너지 준위를 낮추는 전자 주개가 더 좋은 광화학적 안정성을 보여, benzothiadiazole 보다는 thienopyrazine 단량체가 더 좋은 안정성을 보인다. 또한 현재 가장 높은 효율을 보이는 benzodithiophene(BDT)계 고분자에 들어가는 ester기나 ketone기가 치환된 thienothiophene 물질이 전자 받개 물질로 많이 사용되는데, 이들은 빛에 대한 안정성이 떨어지며, ketone 같은 경우에는 Norrish 반응을 포함하는 과정에 의해 불안정한 특징을 보이고 있다.
평면성이 높을수록 고분자-고분자간의 강한 π-π stacking에 의해 전하 수송체의 이동이 좋아지는 결과를 보이게된다.

후속연구

또한 내구성 향상을 위한 encap 기술과 성능 저하없이 대면적화 할 수 있는 인쇄 기술들이 향후 중요한 화두가 될 것으로 보인다. 따라서 이들 핵심적인 신소재, 신 소자화 기술 등과 함께 OLED 등 이미 산업적 기반을 갖고 있는 국내의 연구개발력을 최대한 활용한다면 멀지 않은 장래에 세계를 선도할 또 하나의 신성장 동력 창출도 가능할 것으로 생각된다.
그러나 10% 이상의 에너지 전환 효율을 얻기 위해서는 전하 이동속도가 더욱 향상되고 밴드갭이 작은 신규 donor 소재, 이 donor 물질에 최적화된 밴드갭과 에너지 준위를 갖는 acceptor 소재, 버퍼 소재 등의 신소재 개발과, 박막의 나노 morphology와 소자구조의 최적화, 고성능 탠덤소자 개발 등 이전보다 한 차원 높은 발상의 전환이 요구되고 있다. 또한 내구성 향상을 위한 encap 기술과 성능 저하없이 대면적화 할 수 있는 인쇄 기술들이 향후 중요한 화두가 될 것으로 보인다. 따라서 이들 핵심적인 신소재, 신 소자화 기술 등과 함께 OLED 등 이미 산업적 기반을 갖고 있는 국내의 연구개발력을 최대한 활용한다면 멀지 않은 장래에 세계를 선도할 또 하나의 신성장 동력 창출도 가능할 것으로 생각된다.
물론 아직 성능이 낮아 활용에 다소 제한이 있기는 하지만 앞으로 10% 이상의 고효율이 확보되면 본격적으로 건물의 창이나 발코니 등에 설치하여 수려한 외관을 창출하며 동시에 전기를 생산해내는 소위 BIPV 용도에서 크게 쓰여질 것이다. 또한 장래에는 다양한 유연성 디스플레이에도 가장 궁합이 맞는 파트너가 될 것이며 군수용이나 실내용, 일회용 태양전지 등 21세기 solar 시대를 뒷받침하는 다양한 에너지원 역할을 톡톡히 할 것으로 기대된다.
따라서 차세대 플렉시블 전자 소자나 이동용 정보 전자 기기의 전력원, 군수용, 건물 창호 등에 폭넓은 응용이 기대되는 소자로, 현재 미국, 일본, 유럽연합 등 선진국을 중심으로 많이 연구되고 있으며, 국내의 수준도 짧은 연구 역사에 비해서 상당한 수준에 도달해 있는 상태이다. 태양전지의 전반적인 시장과 기술 발전 추이에 비춰볼 때 현재의 유기 박막 태양전지 기술은 기존의 다른 무기박막 전지들에 비해 개발 초기단계에 있음을 부인할 수 없으나, 최근 2~3년 사이 고성능 신소재들의 개발에 힘입어 2015년 이내 실용화라는 중기 타겟이 가능할 것처럼 여겨진다. 그러나 10% 이상의 에너지 전환 효율을 얻기 위해서는 전하 이동속도가 더욱 향상되고 밴드갭이 작은 신규 donor 소재, 이 donor 물질에 최적화된 밴드갭과 에너지 준위를 갖는 acceptor 소재, 버퍼 소재 등의 신소재 개발과, 박막의 나노 morphology와 소자구조의 최적화, 고성능 탠덤소자 개발 등 이전보다 한 차원 높은 발상의 전환이 요구되고 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

유기 박막 태양전지의 비용면에서의 장점은 무엇인가?

유기 박막 태양전지의 소자 제작공정에서의 장점은 무엇인가?

이 같은 유기 박막 태양전지는 실험실에서 새롭게 합성할 수 있는 다양한 유기반도체 재료를 그것도 아주 소량으로 사용하므로 기존 무기계 태양전지에 비해 소재 비용의 대폭적인 절감이 가능하다. 또한 소자 제작공정에 있어서도 유기물 자체의 손쉬운 가공성으로 인해 스크린 프린팅, 잉크젯, 그라비어 옵셋 인쇄 등 저가의 박막 및 대면적 소자제작 방법을 응용할 수 있고, 롤투롤 공정에 의한 유연성 소자의 제작이 가능하여 높은 생산성과 값싼 공정 단가를 실현할 수 있다. 이런 의미에서 그동안 고순도 실리콘 등 무기계 실리콘 재료에 거의 전적으로 의지해 원료 수급문제와 경제성 문제를 겪으면서 저가 박막 소자에 대한 필요성이 커지고 있는 태양전지 분야에서도 장기적으로는 값싸고 다양한 응용성을 갖는 유기 박막 태양전지의 도입이 하나의 대안이 될 수 있다.

태양광 발전시장에서 압도적인 용도를 갖는 품목은 무엇인가?

태양광 산업은 2009년에 세계적으로 6GW 이상의 설치량을 보이면서 어엿이 300억 불 시장의 독립적인 산업군을 형성하였으며 21세기 중반까지도 지속적인 급성장세가 예상되고 있다. 물론 현재의 주종 품목은 태양광 발전시장에서 압도적인 용도를 갖는 결정질 실리콘 태양전지이지만 최근 들어 a-Si, CdTe, CIGS 등 무기계 박막 태양전지들의 시장 점유율이 꾸준히 증가하고 있고 실제로 2009년에는 20% 수준까지 상승하였다. 염료감응형 및 유기 박막형으로 대변되는 유기 태양전지들은 아직 본격적으로 시장에 진입하고 있지는 못하지만 값싼 재료비와 공정비, 그리고 가볍고 유연하며 투명한 특성들을 내세워 앞으로 예상되는 “ubiquitous solar”시대를 선도할 수 있는 또다른 가능성을 제시하고 있다.

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