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고분자 태양전지의 대면적 저가 연속생산을 위한 전극

전문가 제언: ○ 고분자 태양전지(PSC)는 여러 태양전지 중에서 저렴한 활성 재료와 미래 대량 생산 가능성이 보여 관심이 높아지고 있다. 현재 PSC의 성능과 수명 증가를 위해 광활성 재료의 연구가 활발하다. PSC의 전극에서 연속생산의 시발점인 최하부 투명 전도성 양극이 유리기판 위에 증착된 고가의 ITO 층으로 PSC 원가의 최고 점유율을 차지하고 있다.

○ ITO 전극은 반복굴곡 시에 균열이 발생하기 쉽고, 별도 공정이 필요하여 연속생산에 불리하다. PSC의 최상부 음극은 통상 일함수가 낮은 Al 등의 금속이 사용되고 있지만 대기 중의 습기/산소 침투에 약해 열화되기 쉽다. 따라서 높은 일함수 금속인 Ag 잉크층 등으로 대체되어 양극으로 된 도치형 구조가 개발되었다. 그러나 Ag 잉크층은 밑층의 모폴로지를 해치고 이의 격자망은 전극 넓이를 줄이는 문제가 있다.

○ 이들 단점을 보완할 대체 전극재료로서는 저가이고, 대량생산 특히 고분자 기판 이용 롤투롤(R2R) 공정이 가능하고 높은 성능 및 수명을 가져야 한다. 이 글은 지금까지 성공적인 진척을 보이고 있는 PEDOT:PSS를 비롯한 전도성 고분자 전극재료 및 SWNT 위주의 탄소전극 재료를 소개하고 있다. 저분자 태양전지 및 하이브리드 태양전지는 제외하고, 광활성재료로는 P3HT:PCBM를 의미한다.

○ 소면적 PSC의 양극 및 음극에 적절한 완충층과 함께 사용하면 고전도도 PEDOT:PSS, SWNT가 ITO 전극 수준 성능에 근접할 수 있음이 보고되었다. 적절한 용매나 배합제에 의해 PEDOT:PSS 및 CNT 전극의 전도도가 급상승하지만 고투명도의 대면적 PSC를 위한 낮은 시트저항의 달성은 과제이다. 그래핀 전극은 시트저항이 아직 너무 높다.

○ 국내 고분자 태양전지기술은 세계 톱 수준이다. 광주과학기술원 나석인 등의 2008~2011년까지 수회의 국제학회 보고(ITO 대체용 고전도도 PEDOT:PSS 전극 관련)는 압권이다. 2010년 한국화학연구원의 문상진 등의 보고(에틸렌글리콜 5% 함유로 PEDOT:PSS 전도도의 극적 향상), 경희대 최윤영, KIST 등의 다층 그래핀 양극 보고는 자랑스럽다. 한국도 세계적 핵심원료 생산국이 되도록 모두가 노력해야 할 것이다.

저자: Riccardo Po et al
자료유형: 학술정보