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전 용액가공 이중층 유기태양전지의 모폴로지

전문가 제언: ○ 유기박막태양전지(OPV)는 태양전지 중 염가와 고생산성 그리고 경량의 이점과 많은 응용 가능성으로 인해 차세대의 태양전지로 각광받고 있다. 그러나 현재의 광전변환효율(PCE)은 6%대로 실용적 목표 10%에 미달이다. 과거엔 활성층의 이중층(bilayer) 설계가 성능의 한계였다. 유기고분자 내 여기자 확산길이가 약 10㎚이므로 이보다 큰 이중층 사이의 활성층 두께 때문에 여기자가 전극 계면에 도달하기 전에 소멸되곤 했다.

○ BHJ(벌크이종접합) 설계가 이를 극복하여 오늘날의 기본기술이 되었다. 이는 주개/받개의 블렌드가 막 내 모든 곳에서 접합을 이루므로 이들 계면 표면적이 엄청나게 증가하여 여기자가 모두 밀접한 계면에 도달하게 된다. P3HT(주개)와 PCBM(받개) 블렌드의 스핀 코팅 막은 최적 용매 및 이의 최적 증발속도, 열처리 등에 의해 오늘날의 PCE로 향상하였다.

○ OPV의 PCE 향상을 위한 광주과학기술원 이광희 교수팀에 의한 좁은 띠 간격 공액고분자의 이용, 탠덤 셀의 개발은 PCE의 세계 기록 달성으로 한국 위상을 높였다. 2009년 Ayzner 등에 의해 활성층 이중층 방식이 PCE 3.8%를 달성하여 비슷한 조건의 BHJ의 3.5%보다 높아 큰 반향을 일으켰다. 이 글은 호주의 교수들과 이광희 교수가 비파괴적 NR(중성자 반사율 측정기, 하나로 연구용원자로에서 개발 중) 및 XPS를 이용하여 이를 확인한 연구이다. 주개 P3HT 위에 받개 PCBM 층의 순차적 스핀코팅이 열처리 없이도 서로 섞인 이종접합 형성을 입증했다.

○ 초기의 섞임은 PCBM 용매에 의한 P3HT의 팽윤에 의한 것이고 열처리에 의해 섞임 공정이 완료된다. 열처리 후 엄청난 광전특성의 향상은 NR 데이터에서 계산된 계면에 수직한 물질고유상수 SLD의 구조도로 확인되었다. 주개와 받개의 상당한 섞임을 관찰할 수 있어 과학적으로 Ayzner 등의 연구결과를 설명할 수 있게 되었다. OPV에서 활성층 이중층의 순차적 용액가공이 포괄적 적용가능 방법은 아니다. 이중층 기술은 BHJ 기술에 비해 실용적이고 확실한 기술이므로 PCE 10% 달성 등 다접합의 차세대 디바이스 제조에 도움이 되는 기술이 될 수 있을 것이다.

저자: Paul E. Schwenn et al
자료유형: 학술정보