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수용액 방식에 의한 고분자-나노결정 하이브리드 태양전지의 제조

전문가 제언: ○ 태양전지의 발전단계는《단결정 Si전지 → 박막형전지(비정질 Si, 다결정 Si, CdTe, CIGS → 나노결정전지, 광전기화학전지, 유기계전지(유기박막, 염료감응) → 유기-무기 하이브리드전지》로 대략 나눌 수 있다. 본고의 주제인 고분자-나노결정(nanocrystals, NCs) 하이브리드 태양전지(hybrid solarcell, HSC)는 유기재료와 무기재료의 장점을 융합한 마지막의 유기-무기 HSC에 속하며, 독성의 유기용매 대신 수용액 처리 방식을 채용하기 때문에 환경친화적이라는 장점을 가지고 있다.

○ 상기 HSC의 공액고분자(conjugated polymer)는 전자의 주개(donor)로, NCs(CdTe, Cd-Se, CdS, ZnO, TiO2, CdxHg1-xTe, PbS, PbSe 등)는 받개(acceptor)로 작용한다. 입사광에 의해 생성된 엑시톤(exciton)은 고분자/NCs 계면에서 전자와 정공으로 분리되고, 전자는 NCs로 이동한다. NCs의 크기, 형상, 분산상태를 조절함으로써 콜로이드 상 NCs의 밴드갭과 에너지 수준을 조율할 수 있다. 고분자는 HSC에 유연성을 부여하므로 roll-to-roll 또는 스크린 프린팅 방식으로 대량생산이 가능하다.

○ 고분자-NCs HSC의 전력전환효율(power conversion efficiency, PCE)을 높이기 위해서는 (1)적절한 고분자-NCs의 조합에 의한 흡수파장 대역, (2)계면의 형태와 전기적 성질, (3)엑시톤 발생지점에서 계면까지의 거리 등을 최적화하여야 한다. 선진국에서는 입자 표면의 트랩이나 전하를 제거하여 전하이동/전자수송을 원활하게 하고, 주개와 받개가 연속적인 상호 침투망을 이루게 하여 주개/받개의 접촉 면적을 늘림과 동시에 엑시톤의 확산거리를 줄이는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

○ 세계 태양광 시장의 위축과 중국의 덤핑 때문에 국내 업체들(현대중공업, LG화학, 삼성SDI, 한화그룹 등)은 태양전지 관련 공장의 매각을 추진하거나 투자속도를 늦추고 있다. 그 대신 현대중공업과 SDI 등은 실리콘 박막 태양전지 분야의 R&D에 집중하고 있다. 그러나 차세대 태양전지인 유기-무기 HSC 분야에서는 한국화학연에서 염료감응태양전지가 연구되고 있지만, 전반적인 R&D 활동이 매우 저조하다. 앞으로 산학연 각 분야에서의 분발이 요망된다.

저자: Haotong Wei, Hao Zhang, Haizhu Sun, Bai Yang
자료유형: 학술정보