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무한 재생가능하고 소멸되지 않는 태양, 풍력, 조력 등 자연을 이용한 신재생에너지에 대한 관심이 뜨겁다.
그 중에서도 태양광과 태양열을 이용한 태양에너지는 만분의 일만 전환해 도 인류 전체의 연간 에너지 소비량인 약 4x1020J을 충당할 수 있다.
실제 Caltech의 N. Lewis 교수의 발표에 의하면, 세계에서 가장 에너지 소모량이 높은 미국의 경우 연간 3.3 TW의 에너지를 소비하는데, 10% 에너지 변화효율의 태양전지를 미국 전 국토 면적의 1.7%에 설치하면 전체 에너지 문제를 해결할 수 있다고 한다. 이 면적은 약 230 x 230 mile2로interstate highway의 면적 정도로 그 가능성이 적지 않다고 할 수 있다.
이에 따라 태양전지와 관련된 연구가 활발하게 펼쳐지고 있으며 그 종류 또한 다양하다. 그 중에서도 유기태양전지는 가격이 저렴하고 다양한 나노소재를 접목해 효율을 극대화시킬 수 있어 주목받고 있다.
유기태양전지를 여러 종류의 태양전지와 비교하고 해결해야 할 문제점은 무엇인지 알아본다.
미국의 DOE(department of energy)에 따르면 차세대 태양전지는 박막형의 태양전지가 주를 이룰 것으로 전망했으며, 박막태양전지의 제조단가를 $ 0.33/Wp로 설정했다. 이를 위해서는 모듈효율 15%와 모듈 제조단가 $ 50/m2을 달성하기 위한 소재 및 공정이 개발되어야 한다고 발표했다.
특히 2008년 배럴당 $ 100 가까운 고유가를 경험하면서 선진국뿐 아니라 개발도상국들도 앞 다투어 태양에너지 개발에 뛰어들고 있으며 각국은 기존의 실리콘 태양전지와 함께 a-Si 박막태양전지, CIGS 박막태양전지, CdTe 박막태양전지 등의 발전단가를 낮출 수 있는 차세대 태양전지 및 염료감응 태양전지, 유기박막태양전지 등의 연구개발을 시도하고 있다.
고분자 재료는 쉽고, 빠르게 저가/대면적 공정이 가능한 장점을 가지고 있어 유기태양전지는 향후 신재생 에너지 분야에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
염료감응형 태양전지는 기존의 p-n 정션을 이용하는 태양전지와는 달리 전기화학 반응을 통해 발전을 하는 개념이며, 10%가 넘는 에너지 변환효율을 보고하고 있다. 그러나 20여년이 지난 현재까지 최고 효율은 15%를 넘지 못하고 있으며, 액체 전해질을 사용해야 하는 단점 뿐 아니라 고가의 전극소재를 사용해야 한다는 문제점을 가지고 있다.
이에 반해 유기 태양전지는 현재 상용화되어 있는 OLED와 거의 유사한 소자구조를 가지고 있으며 (sub 2), 상온에서 스핀코팅이나 인쇄 및 코팅 등의 용액공정을 통해 쉽고 간편하게 제작할 수 있다. 특히 유연성 기판을 가지고 롤투롤 연속 인쇄공정을 이용하여 1 m 폭의 필름에 분당 30 m/s의 속도로 인쇄할 경우, 연간 0.5 GW급의 태양전지의 생산이 가능하다.
NREL의 보고에 의하면, 12% 효율의 실리콘 태양전지는 단위면적(m2)을 생산하는데, 420 kWh의 에너지가 소비되어 pay back time이 4년인데 반해, 5%의 유기태양전지는 20 kWh의 에너지만 소비되어 pay back time이 0.5년으로 줄어들 수 있다고 보고하고 있다. 1GW급의 발전을 위한 실리콘 태양전지는 8,000 톤의 광활성층 재료가 소요되지만, 유기태양전지는 초박막 광활성층으로 3.4톤의 재료만이 소요된다. 이와 같이 유기 태양전지는 사회적, 경제적 중요성 및 개발 요구가 증가하고 있으며, 이를 해결하기 위해서 다양한 유기태양전지용 소재 및 셀 디자인, 장비 등이 개발되고 있다.
그러나 아직까지 벌크형 실리콘 태양전지 및 CdTe 박막형 태양전지에 비해 상대적으로 낮은 광전변환효율을 기록하고 있다. 유기태양전지를 상용화하기 위해서는 광전변환효율이 셀 기준 약 10%까지 개선되어야 한다. 최근에 Konaka, Heliatek 등 유기태양전지 메이저 회사를 중심으로 약 9%의 효율 개선을 이루고 있다.
보다 높은 효율 개선을 위해서는 새로운 low bandgap 전자주개 재료와 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 준위가 개선된 전자받개 재료, BHJ(bulk-heterojunction) 모폴로지 제어기술, Tandem 소자 구현 기술 및 버퍼층 개발을 통한 계면저항 최소화 등이 필요하다. 또한 소자의 수명을 증대시키기 위해서는 광활성층 재료의 안정성을 증대하고 안정적인 모폴로지를 유지할 수 있는 재료를 개발해야 하며, 배리어 특성이 우수한 플렉시블 기판과 봉지/패시베이션 기술이 우선적으로 개발되어야 한다.
 유기태양전지의 종류
유기태양전지는 전하의 이동에 따라 크게 두 가지 구조로 제작 된다.
광활성 유기물층에서 생성된 전하 중 전자는 금속 전극으로 이동하고, 정공은 ITO 투명전극으로 이동하는 경우를 정구조 유기태양전지라 하고, 반대로 이동하면 역구조 유기태양전지라 부른다.
일반적으로 정구조 유기태양전지는 ITO 전극위에 PEDOT:PSS라는 전도성 고분자 물질을 코팅한 후, 플러렌(C60) 유도체인 PCBM이 섞여 있는 광활성 유기물이 코팅되고, 반대 전극에 LiF/Al이 증착되어 완성되어진다.
PEDOT:PSS 소재는 보통 산성의 특성을 나타내는데, 소자를 완성한 후에 ITO 전극의 특성을 일부 저하시키는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 PEDOT:PSS를 중성화 하려는 연구가 진행되기도 하며, 전도성을 향상시키기 위한 다양한 공정이 개발되고 있다.
소자의 수명 및 효율을 향상시키기 위한 기술로 광활성 유기물 층과 Al 전극 사이에 optical spacer라는 새로운 층을 도입하고 있으며 대표적으로 TiOx가 사용되고 있다. 이 밖에도 ITO 전극을 대체하고자 하는 다양한 연구가 진행되고 있다.
역구조 유기 태양전지는 ITO 전극위에 전자의 흐름을 쉽게 하고, 정공의 흐름을 억제하는 역할을 하는 ZnO와 같은 n형의 금속산화물을 이용한 버퍼층을 형성한 후 광활성 유기물을 코팅한다. 이후 정공의 이동을 돕고 전자의 흐름을 억제하는 MoO3와 같은 p형의 금속산화물 층을 형성하고, Ag나 Au와 같은 금속전극을 형성하여 소자를 완성한다. 새로운 나노입자, 나노선 등 매우 다양한 나노 소재 및 나노 구조들이 적용될 수 있다.
Bulk-heterojunction 구조의 역구조 유기태양전지
재료연구소 연구팀은 습식 방법을 이용하여 ZnO-CNT 복합막을 ITO 기판에 코팅하여 광전변환 효율 및 수명이 동시에 향상된 역구조 유기태양전지를 개발했다.
기존의 ZnO 박막층에 비해 CNT를 복합화 함으로써 전극의 전기전도도가 향상되었으며, 복합화 과정에서 자연적으로 발생한 거칠기 증가로 인해 유기 광활성층과의 접촉 계면이 증가하고, 결과적으로 전하 수집 능력이 향상되게 되었다. 특히 UV에 대한 소자의 저항성이 기존 ZnO 박막을 이용한 소자 대비 약 2배 이상 증가했다.
Lin et al.은 필름형태가 아닌 나노와이어 형태의 ZnO를 적용한 ZnO/P3HT 기반의 소자를 제작했으며 ZnO 나노와이어를 특정 분자(interfacial molecules)로 표면처리, 기존보다 효율이 향상됨을 증명했다.
Interfacial molecules은 광활성층과 ZnO 계면에서 발생하는 전하의 분리를 돕고, 분리된 전하의 재결합을 막아 전체적인 효율 향상을 가져오는 역할을 한다.
또 Huang et al.은 유기와 무기 나노구조체 사이의 계면 특성을 향상시키기 위해 ZnO 나노와이어 표면을 플러렌으로 표면처리 하였다. 이는 플러렌층이 고분자의 self-organize와 ZnO 나노와이어 사이의 공간에 광활성층의 침투를 도와줌으로써 광흡수를 향상시켜 효율을 향상시킨다.
이 외에도 ZnO 나노와이어 대신 TiO2 나노와이어 및 다양한 나노구조체를 적용한 역구조 유기태양전지가 개발됐다.
Jo et al.은 역구조 유기태양전지에서 그래핀 필름을 cathode로 적용 가능함을 보여주었다. 그래핀은 차세대 전도성 물질로 광전자 소자에 ITO를 대체할 물질로 잠재력을 가지고 있다. 이는 낮은 면저항, 높은 광 투과율 뛰어난 구조특성 등의 장점을 가지고 있다.
역구조 tandem 유기태양전지
역구조 Tandem 유기 태양전지는 유기태양전지 상용화에 문제점으로 지적되어 온 효율 및 수명 문제를 동시에 해결할 수 있는 좋은 대안이 될 수 있어 많은 연구 개발이 진행되고 있다.
유기태양전지의 주요 단점으로 sub-band-gap 투과율과 hot charge carriers의 thermalization 효과를 꼽을 수 있는데 이를 동시에 피하는 방법 중 하나가 Tandem (적층) 구조를 사용하는 것이다.
Tandem 유기태양전지는 bottom cell과 top cell이 완벽한 투과율을 가진 intermediate 층에 의해 연결된다. 이 intermediate 층은 sub-cell을 광학적, 전기적으로 연결시켜주며 전체적인 소자 특성에 결정적인 역할을 하게 된다. Intermediate 층으로 사용되는 물질은 TiO2/PEDOT:PSS, Ag nanocluster, Al/Au/PEDOT:PSS , ZnO/ PEDOT:PSS, Al/MoO3, Al/TiO2:Cs/PEDOT:PSS, MoO3/Ag/Al/Ca등이 있고, top cell로의 optical field 분배와 전하 이동 수집을 향상시켜준다.
유기태양전지용 소재는 기본적으로 가격이 저렴해야 하며, 각각의 구성 소재 사이의 에너지 준위가 잘 디자인 되어야만 고효율의 유기태양전지를 제작할 수 있다.
최근 유기 소재만을 이용해서는 높은 광전변환 효율 및 장수명의 유기태양전지 제작이 어렵다는 기초연구 결과가 발표되면서 무기 나노소재를 접목한 하이브리드 형태의 유기태양전지가 개발되고 있다. 특히 3차원의 나노구조체 및 역구조 Tandem cell을 이용하여 효율 및 수명을 동시에 향상시키려는 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 향후에는 이종 소재의 계면 특성 연구도 활발히 진행될 전망이다.
또한 뛰어난 기계적, 화학적, 전기적 특성을 갖고 있는 그래핀 소재를 유기태양전지에 적용하기 위한 연구도 진행되고 있다.
이는 ITO 전극을 대체하여 희소자원의 소비를 감소할 수 있을 뿐만 아니라 휴대가 가능한 유연성 유기태양전지를 개발할 수 있는 대안 소재가 될 수 있을 것으로 기대된다. |
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출처 : 임동찬, 강재욱, 박선영 ‘유기태양전지 소재 및 소자 기술’
[기계와재료] 23권2호 |
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