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고효율 적층형 유기태양전지 개발
2017년 9월 1일 (금) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2017년 9월호 - 전체 보기 )

고효율 적층형 유기태양전지 개발
기존 유기태양전지 효율장벽 뛰어넘은 디딤돌 마련
한국연구재단(이사장 조무제)은 김진영 교수(울산과학기술원)·진성호 교수(부산대) 연구팀이 1.72V의 높은 개방전압과 11.4%의 효율을 달성한 적층형 유기태양전지를 개발했다고 밝혔다. 이번에 개발한 유기태양전지는 기존 소자제작과 구조적 측면에서 발생하는 문제점을 분석하고 해결함으로써 유기태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 발판이 될 것으로 예상된다.  자료 : 한국연구재단

기존 전지 문제점 보완 …
상용화 시기 단축 계기 될 듯
유기태양전지의 장점은 경제성과 범용성이다. 유기태양전지는 저렴하게 합성 가능한 유기공액고분자를 유연한 필름 등에 코팅하는 방법(용액공정)으로 제작한다. 따라서 두루마리형 디스플레이와 입는 컴퓨터 등 휴대용 전자기기에 널리 쓰일 수 있다. 특히 페로브스카이트 태양전지와 비교하면 소자제작이 간단하고, 약 100nm정도의 얇은 박막으로 반투명하게 만들 수 있어 상품에 적용하기 쉽다. 기존 적층형 유기태양전지는 11% 이상의 광전변환효율을 달성하는데 어려움이 있었다.
용액 공정상 이루어지
는 불필요한 전류손실 때문이다. 또한, 태양전지의 성능을 좌우하는 개방전압의 경우 1.50~1.65V가 일반적이었다. 연구팀은 불소(F)작용기를 도입한 유기공액 고분자를 개발하고, 각 구성요소의 최적화를 통해 11.4%의 광전변환효율과 이례적으로 높은 1.72V의 개방전압을 달성했다. 김진영 교수는 “이 연구 성과는 기존 적층형 유기태양전지가 가지고 있던 문제점들을 보완함으로써 11% 이상의 고효율화에 성공했다”고 밝히며, “이를 기반으로 더욱 높은 효율의 적층형 유기태양전지를 개발하고 상용화에 한 발짝 다가설 수 있는 계기가 되었으면 한다”고 연구 의의를 밝혔다.

광학 시뮬레이션 활용,
적층형 유기태양전지 최적화 구현
연구팀은 상부셀과 하부셀에 요구되는 필수조건을 분석하여 정구조 적층형 유기태양전지에 적합한 두 유기공액고분자를 합성했다. 불소(F)작용기가 도입된 고분자들은 넓은 밴드갭을 가지고 있어 700nm 파장영역까지 광 흡수가 가능하고, 낮은 HOMO 에너지 준위로 인해 높은 개방전압의 성능을 보여준다. 또한, 열 안정성이 뛰어나 적층형 유기태양전지 제작에 필요한 열처리공정에도 성능저하가 없음을 확인했다. 연구팀은 적층형 유기태양전지의 제작과정과 소자특성을 다방면으로 분석하여 최적화하는 연구를 진행했다. 우선, 각 유기 공액고분자의 단일소자 최적조건을 분석하여 신중한 재료 선택과 제작과정으로 인해 전류손실을 최소화했다.

[그림1] 좁은 밴드갭 유기공액고분자를 이용한 고효율 적층형 유기태양전지
개발한 두 종류의 유기 공액고분자(P1, P2)는 약 700nm 파장영역까지 빛을 흡수하고 열 안정성이 뛰어나 제작과정에서 발생하는 전류손실을 최소화할 수 있다. 그리고 단일소자에서 0.9V~1V의 높은 개방전압을 보여 하부셀의 광활성층으로 적합하다. 800nm의 장파장까지 흡수가 가능한 고분자를 상부셀로 사용하여 정구조 적층형 유기태양전지를 제작한 결과, P2 기반의 소자에서는 1.72V의 높은 개방 전압을 가진 10%이상의 효율을 보였으며, P1 고분자를 기반으로 한 소자에서는 최고효율인 11.4%를 구현했다.

[그림2] 
제1저자인 송세영 박사과정 연구원이 연구실에서 실험 장비를 이용해 스핀코팅 방식의 용액공정으로 적층형 유기태양전지를 제작하고 있다.
[그림3] 
연구팀이 개발한 고효율 적층형 태양전지 사진

이와 함께 광학 시뮬레이션을 활용하여 상·하부셀의 정확한 최적두께와 생성되는 전류를 계산하여 적층형 유기태양전지의 최적화를 이끌었다. 또한, 적층형 태양전지의 구조적 제한요소인 충진율을 상·하부셀에서 생성되는 전류를 분석·유추하여 제작과정에서 이를 고려했으며, 각 상·하부셀의 전하이동도 차이를 분석하여 부가적인 전류손실의 원인을 규명했다. 800nm 파장까지 광흡수가 가능한 고분자를 상부셀로 사용하여 넓은 흡광영역을 증가시켰으며, 적층형 유기태양전지를 제작한 결과 1.72V의 높은 개방전압과 10% 이상의 고효율을 보여주었다.
10% 이상의 효율을 보유
한 적층형 유기태양전지에서 1.7V 이상의 높은 개방전압을 가지는 것은 아주 이례적이며, 특히 불소작용기가 하나 도입된 유기공액고분자를 하부셀로 제작한 경우에는 최고 효율인 11.4%을 달성했다.

적층형 OLED·유무기 하이브리드
태양전지 효율 향상 기대
연구팀은 이번 연구를 통해서 개발한 고개방 전압·고효율 적층형 유기태양전지는 기존 소자제작과 구조적 측면에서 발생하는 문제점을 분석하고 해결했다.이번 연구결과로 용액공정을 통해 유기태양전지를 보다 쉽게 제작할 수 있어 상용화를 앞당길 수 있는 발판이 될 것으로 예상된다. 뿐만 아니라, 다방면 접근을 제시함으로써 적층형 OLED, 적층형 유무기 하이브리드 태양전지의 효율 향상에 도움이 될 것으로 기대된다. 
이번 연구는 미래창조과학부·한국연구재단의 기후변화대응사업, 기초연구사업(개인연구)으로 수행되었으며, 국제학술지 어드밴스트 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 게재됐다. 논문과 저자정보는 다음과 같다. 
*(논문명) Efficiency Exceeding 11% in Tandem PolymerSolar Cells Employing High Open-Circuit Voltage Wide Band Gap π-Conjugated Polymers
*(저자 정보) 김진영 교수(교신저자, UNIST), 진성호 교수(교신저자, 부산대), 송세영 박사과정(공동 제 1저자, UNIST), 카카라파시 크란시라자(Kakaraparthi Kranthiraja)박사(공동 제1저자, 부산대), 허정우 박사
과정, 김태효 박사과정, 브라이트 워커(Bright walker)박사

용어설명
1. 어드밴스드 에너지 머티어리얼즈(Advanced Energy Materials) : 에너지 분야 최상위 학술지 중 하나로 2011년부터 온라인 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(2016 impact factor 16.17)2를 가지고 있다.
2. 유기태양전지 : 전도성 유기 고분자를 기반으로 제작한 태양전지. 전자 주개(electron donor)물질에 흡수된 태양광에 의해 전자-정공쌍인 엑시톤(exciton)이 생성되며, 이 엑시톤이 확산되다가 전자 받개(electorn acceptor) 물질과의 계면에서 전자와 정공으로 분리되어 각각의 전극으로 이동함에 따라 전류를 생성하는 원리로 작동한다.
3. 적층형 유기태양전지 : 한 소자에 두 개 혹은 그 이상의 유기 광활성층이 겹겹이 적층되어 구동되는 태양전지. 하부셀과 상부셀이 각각 서로 다른 파장영역에서 태양광을 흡수한다.
4. 개방전압 : 태양전지에서 출력할 수 있는 최대 전압으로 태양전지의 성능을 결정하는 중요 요인 중 하나.
5. 불소 작용기 : 유기공액고분자의 탄소(C)-수소(H)결합에서 수소 대신 전자가 많은 불소가 치환된 것으로 유기태양전지에서 개방전압을 높이는데 큰 역할을 한다.
6. 유기공액고분자 : 탄소를 기반으로 한 분자량이 큰 화합물로 탄소끼리 단일결합과 이중결합으로 구성되어 있어 전자가 쉽게 생성되어 반도체성을 띤다.
7. 밴드 갭 : 전자가 있는 최상위단 에너지준위와 전자가 없는 최하단 에너지 준위 차이.
8. 재결합층 : 물리적으로 두 광활성층을 분리하는 박막으로 각 광활성층에서 발생된 정공 및 전자의 재결합을 하며 고투명도가 요구되는 분리층.
 

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