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전해석출 ZnO 역오팔과 이의 하이브리드 태양전지에의 응용

전문가 제언: ○ 유기태양전지는 용액 가공의 생산성이 높고 재료비가 저렴하며, 가볍고 유연성이 있어 고가의 무기계 태양전지에 대신하여 기대를 모으고 있다. 현재 에너지 변환효율은 5~6% 대로 낮아 주발전용으로 사용하기에는 부족하지만 휴대전화기 등의 보조전원이나 LED 등의 전원으로 유색을 이용한 실내 인테리어 등 응용분야가 개발되고 있다.

○ 유기태양전지의 문제점인 유기재료 내 극히 짧은 여기자의 확산길이를 해결하는 기막힌 기술은 용액 내 이연속적 상호침투망 기반의 전자주게(공액고분자)와 전자받게(풀러렌의 유도체)와의 벌크이종접합 구조이다. 그러나 이 활성층 기술은 전자주게 재료와 전자받게 재료의 무작위 분포에 기초를 두고 있어 변환효율 향상에는 이들 재료 사이의 질서정연한 벌크이종접합이 필요하다. 전자받게의 무작위 분포는 전극에 연결되지 않은 전자받게에 전자가 트랩되어 변환효율을 낮출 수 있다.

○ 전자받게인 산화물반도체의 규칙적인 역오팔(Inverse Opal: IO) 구조의 메소 다공성 막이 전자주게 공액고분자와의 계면을 증가시키고 동공(洞空) 내에서 입사광의 다중 반사 및 산란으로 광흡수 증가에 유리하다. 2006년 질서정연한 광학결정(Photonic Crystal) 제조에 질산은 수용액 전해질과 PS주형을 이용한 전해석출에 의한 ZnO 역오팔 이용이 보고되었다.

○ 본문에서 중국 Tsinghwa 대학의 저자들은 3차원의 질서 정연한 메소다공성 역오팔 ZnO 막을 제조하여, 용액상 P3HT:ZnO의 벌크이종접합을 침투시켜 하이브리드태양전지를 제조한 뛰어난 방법을 소개하고 있다. 다공성 ZnO 막은 ZnCl2의 용액 내에서 주형인 PS 콜로이드 결정으로 피복된 ITO 기판의 음극 상에 ZnO를 전해석출한 후 주형을 열분해하여 제조하였다. ITO/ZnO(IO)/P3HT:ZnO/Al 구조의 이 디바이스는 444.3㎂/㎠의 Jsc를 보였다. 이는 다공성 ZnO 막에 P3HT만을 침투시킨 디바이스보다 5.5배로 높아 동공 내 여기자 확산길이의 큰 영향을 보여준다.

○ 상기 구조의 디바이스가 자외선 필터를 사용하여 수명이 향상되었음도 보고되었다. 너무 짧은 수명은 진공증착 Al 전극 및 In 함유 ITO의 영향이 클 것이므로 이들의 사용을 피하는 연구가 필요할 것이다.

저자: Xiaogong Wang et al
자료유형: 학술정보