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고분자 태양전지의 나노크기 모폴로지 제어

전문가 제언: ○ 여러 신재생에너지 기술 중 무궁무진한 태양에너지를 활용하는 실리콘 태양전지 기술이 일찍 실용화된 지 56년이 지났다. 그러나 고가의 실리콘 결정 재료비와 높은 가공비용은 태양전지 보급에 지장을 주어 왔다. 원가절감과 고효율을 위한 여러 새로운 태양전지가 개발되고 있는데 공액고분자의 광전특성을 이용한 고분자 태양전지는 유망한 연구 대상의 하나이다.

○ 흡광계수가 높아 박막이 가능한 고분자 태양전지는 현재 6%대의 낮은 실험실적 변환효율을 향상시켜야 한다. 이 글은 고분자 태양전지에서 광흡수 개선은 제외하고 효율제고를 위한 여기자 분리, 전하수송 그리고 전하수집 향상을 위한 엄격한 조건을 충족시킬 활성층 구조 및 모폴로지 제어법을 소개하고 있다. 현재 최고성능의 고분자 태양전지는 열풀림 외에 특별한 후가공처리가 없는 P3HT :PCBM 용액블렌드의 벌크이종접합의 간단한 제법을 이용하고 있다. 스핀코팅에 의한 구조에서는 성능에 영향을 줄 모폴로지 제어가 힘들다.

○ 모폴로지 제어를 위한 용매풀림, 블록공중합체 이용, 정렬 및 조직화 기술 등이 소개되었다. 이중 패턴 금형으로부터 대면적의 고밀도 나노구조를 간단히 엠보싱하는 나노임프린트 리소그래피(NIL) 기술이 강조되었다. NIL은 고순도 직접 통로에 의해 전자/정공 쌍의 분리와 전하수송을 향상시키는데 여기자 확산길이에 맞춰 유연성 있는 재료선정과 주개/받개 두 상 치수의 독립적 조정을 가능케 하여 크게 활용될 것이다.

○ 장기적으로 주개/받개의 새로운 재료가 태양전지 성능개선에 필요하다. 새로운 재료연구는 현재의 무모한 끝없는 고분자 합성으로부터 블렌드 내 상 분리 및 모폴로지 제어를 깊게 이해한 합리적 설계로 진보해야 된다.

○ 국내에서 고분자 태양전지의 모폴로지 연구는 잘 보이지 않으나 2008년 화학공학지에 P3HT:PCBM 시스템의 열처리효과를 보고한 Minnesota 대학 김정용의 “고분자 태양전지의 결정구조와 특성의 상관성“이 특출하다. 히거신 소재 연구센터 등이 세계최고 효율로 한국을 빛내고 있다. 고가 부품인 투명전극은 그래핀으로 대체되어 원가가 낮아질 것이다. 장기간 연구가 필요한 재료합성 없이 크게 효율을 올릴 수 있는 모폴로지 연구가 한국에서도 꽃피기를 바란다.

저자: Joanna E. Slota et al
자료유형: 학술정보