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탄소나노튜브에 의한 유기태양전지 활성층의 설계향상

전문가 제언: ○ 저탄소 녹색성장시대의 경제적 유기태양전지는 파워변환효율(PCE) 향상과 수명 개선의 두 큰 과제를 갖고 있다. 2011년 12월 PCE는 Mitsubishi Chemical사의 10.0%(1㎠), 서브모듈 단면적 294.5㎠에서 Sumitomo Chemical사의 4.2%를 일본 AIST에서 공인받았다. 염료감응태양전지 서브모듈 17.0㎠의 PCE 9.9%(AIST 공인)의 절반 수준이다.

○ 유기태양전지 중 실용화에 유리한 고분자태양전지의 PCE 향상을 위한 태양광스펙트럼에 가까운 장파장영역 이용을 위한 단락전류(Isc) 향상용 좁은 띠 간격의 주개 고분자 개발이 활발하다. 개방회로전압(Voc) 향상을 위한 주개 HOMO와 받개 LUMO 사이의 에너지 차 확대를 위한 연구도 동시에 진척되고 있다. 유기고분자 태양전지의 약점인 낮은 전하수송(전하이동도), 전극에서의 비 옴 접촉으로 인한 수전능력 부족 그리고 활성층 내 통전경로의 불완전성은 항상 도전과제이다.

○ CNT는 높은 전하이동도, 고전도성 그리고 높은 종횡비 등의 특성으로 고분자 태양전지의 약점 개선에 이상적이지만 이의 이용은 아직까지 투명전극 ITO 대체수준에 머물러 있었다. 이 글은 CNT의 장점을 이용한 벌크이종접합 광활성층의 성능 향상 연구를 고찰하고 CNT 이용에 의한 성능 최대화를 위한 이상적 고분자태양전지 모델을 소개하고 있다.

○ 전기장 인가 시에 활성층 내 CNT의 전극방향 배향은 전하이동 경로를 크게 향상시킨다. SWNT 소량 함유한 이상적 고분자-PCBM 활성층에서 SWNT 도핑에 의한 한 전극방향으로만의 선택적 전하이동 방향은 KAIST 김상욱 교수 등에 의해 2011년 해결되었다. 이는 전자 및 정공의 이동도 균형 및 전극에서 옴 접촉을 가능케 해 PCE를 크게 향상시켰다.

○ 한국은 GIST 이광희/Heeger 등에 의한 좁은 띠 간격 고분자 이용에 의한 세계최초 PCE 기록 외에 CNT 이용에서 상기 기술이 있다. KERI의 CNT 투명필름 제조기술 개발(2008년 기술이전), 성균관대학 김영독, KIMM 임동찬 등의 ZnO와 CNT 배합이용 전극에 의한 PCE 향상연구가 있는 등 세계적 실적을 갖고 있다. 조기 실용화에 거는 기대가 크다.

저자: Bernard Ratier et al
자료유형: 학술정보