기계/재료

중국 최고 효율의 역구조 고분자 태양전지 제작

발행일 : 2012 / 03 / 30

고분자태양전지는 일반적으로 공액고분자 제공자와 풀러린 유도체 수용체의 혼합막을 ITO투명 양극과 금속 음극사이 끼운 구조로 구성된 것으로, 구조와 제조과정이 간단하고, 원가가 저렴하며, 가볍고, 유연성 부품으로 제조 가능한 장점을 지니고 있어 최근에는 국내외의 인기연구과제가 되고 있다. 전통부품의 구조를 보면 투명 도전성 고분자 PEDOT:PSS로 수식한 ITO전극을 양극으로, 낮은 일함수 활성금속을 음극으로 삼는다. PEDOT:PSS 수식층은 산성 PEDOT:PSS 수용액을 ITO 유리에 스핀코팅하여 산성 PEDOT:PSS가 ITO에 부식작용이 있기 때문에, 동시에 부품 끝부위의 활성금속 음극은 환경에 노출되었을 때 물이나 산소와 매우 쉽게 반응을 일으키는데 이는 부품의 안정성과 사용수명에 심각한 영향을 미친다.

최근에 발전하기 시작한 역구조 고분자 태양전지는 낮은 일함수재료로 수식한 ITO전극을 음극으로, 높은 일함수의 안정된 끝부분 전극을 양극으로 삼기에 부품의 안정성을 크게 높였다. 하지만 현재 역구조 고분자 태양전지로 사용하는 음극 수식층 재료는 주로 ZnO나 TiO2나노결정으로 고온(>200℃)에서 열처리를 거쳐야만 성능이 우수해지 때문에, 이는 대면적의 유연성 전극에서 응용하기에는 적합하지 않다. 따라서 저가의 가용성가공 및 저온처리를 거친 음극 수식층을 개발하는 것은 향후 유연성 고분자 태양전지의 실제 응용에 있어서 중요한 의의를 지닌다.

최근 국가자연과학기금위, 과학기술부와 중국과학원의 지원을 받아 중국과학원 산하 화학연구소 유기고체원 중점실험실은 고분자물리화학 국가중점실험실과 화북전력대학과 협력하여 저가의 알코올가용성 킬레이드 TIPD로 수식한 ITO전극을 음극으로 하여 역구조 고분자태양전지를 제작하였다(부품구조와 관련 재료의 분자구조는 그림1을 참조). AM1.5, 100 mW/cm2 빛쪼임 조건에서 이 역구조 고분자 태양전지는 에너지전환효율이 7.4%에 도달하였으나, 같은 활성 코팅층의 전통 정방향구조 부품의 효율은 6.4%에 불과한 것으로 나타났다(부품 J-V곡선과 태양광성능 수치는 그림1 참조). 역구조 고분자 태양전지의 7.4% 효율은 지금까지 문헌에 보도된 가운데 최고효율이다.

관련 논문은 Adv. Mater.(2012, 24, 1476-1481)에 발표되었다.

연구원은 2006년에 최초로 TIPD를 전통구조 고분자 태양전지의 음극 수식층에 응용한 것으로, MEH-PPV/PCBM기반의 고분자 태양전지의 효율을 수식층이 1.66%에서 2.52%(Appl Phys Lett, 2007, 91: 023509)로 높였다. 이 전극 수식층 재료와 관련하여 중국발명특허 1건을 출원하였다(특허명: “일종의 고분자 태양전지 및 그 제조방법”, 특허번호 ZL 2006 1 0089192.3). 최근에는 TIPD를 역구조 고분자 태양전지에 사용하였고 TIPD로 수식한 ITO를 음극으로, MoO3/Al를 양극으로, PBDTTT-C/PC70BM의 혼합막을 활성층으로 하는 역구조 부품을 제작하였다. 그밖에 TIPD수식층 열처리 온도가 부품 태양광성능에 미치는 영향을 연구하였는데, 60℃에서 열처리를 거치면 TIPD표면이 친수성에서 소수성으로 변하였고, 150℃에서 10분간 열처리한 수식층의 부품성능이 가장 우수한 것을 발견하였다. 이 최적의 열처리온도는 전통부품의 PEDOT:PSS수식층의 열처리온도와 같기에 TIPD 수식층의 향후 유연성 전극에서의 응용이 가능해졌다.

정보출처 : 중국과학원 화학연구소