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유기태양전지를 위한 저밴드갭 폴리머 설계

전문가 제언: ○ 태양전지의 동작은 기본적으로 빛에 의한 여기자(exiton) 생성 및 확산, 전하 운반체의 분리/수집 및 외부로의 추출이다. 태양전지 재료에는 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘, CdTe, CIGS(Copper Indium Gallium Selenide), 유기 염료 등이 사용된다. 현재 태양전지는 주로 웨이퍼 형태의 벌크 실리콘으로 만들어지는데 p-n 접합에 기초한 전통적인 무기태양전지는 전력변환 효율이 좋으나 제조비용이 높다.
○ 실리콘 박막, 유기 염료, 유기 폴리머 등을 이용한 박막 태양전지는 효율이 낮지만 가격과 응용 면에서 상당히 유리하다. 근래 가장 주목을 받고 있는 유기반도체에 기반을 둔 유기태양전지는 경량, 기계적 유연성, 제작의 용이성, 저비용의 장점을 가지고 있다. 유기태양전지의 과제는 빛을 흡수할 수 있는 층이 얇아 광변환 효율이 낮은 것이다. 본고에서는 유기태양전지의 진전 상황과 광변환 효율 향상 방안을 검토한다.
○ 유기태양전지의 광변환 효율은 단위소자 수준에서 10% 대에 진입했다. 특히 다양한 폴리머 공여체와 풀러렌계 수용체의 적용으로 성능 향상이 빠르게 진행되고 있다. 미쓰비시, 스미토모, UCLA, 헬리아텍이 10% 이상의 효율을 달성했다. 국내에서는 2013년 코오롱인더스트리가 11.3%의 광변환 효율을 달성하고, 한국화학연구원은 고효율, 저가격, 고내구성의 무기-유기 하이브리드 이종접합 태양전지 제조기술을 개발했다.
○ 유기태양전지의 상용화를 위해서는 대면적에서 10% 이상의 변환 효율을 달성해야 한다. 넓은 태양광 스펙트럼을 흡수할 수 있는 저밴드갭 공여체 물질, 전하 이동도를 크게 개선할 수 있는 새로운 광활성 소재의 개발이 필요하다. 우리나라는 미국, 독일, 일본에 비해 기술면에서 열세에 있다. 각 대학 및 연구소에서 새로운 재료, 구조 및 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있고 정부도 2011년부터 고효율 대면적 박막 태양전지 기술을 5대 미래산업 선도 기술의 하나로 선정하여 지원하고 있어 조만간 격차를 줄일 수 있을 것으로 기대한다.

저자: Tao Xu, Luping Yu
자료유형: 학술정보