고분자 태양 전지의 광활성층의 나노 구조 제어에 관한 연구

Abstract

유기 태양 전지는 용액 공정이 가능하고 고온의 공정 과정이 없기 때문에 제작 비용이 경제적이며 또한 유연 기판에서 제작이 가능하기 때문에 차세대 신재생 에너지 분야에서 큰 발전 가능성을 가지고 있다. 고효율 유기 태양 전지를 제작하기 위해서 다양한 연구들이 진행되고 있다. 크게 두 가지 측면에서 살펴보면 광활성층의 물질 개발과 구조 제어 측면에서 연구가 진행되고 있다. 물질적인 측면에서 연구는 광활성층의 낮은 밴드갭을 가지는 유기 반도체의 합성과 큰 결정화도 가질 수 있는 물질 등이 연구되고 있다. 구조적인 측면에서는 광활성층의 나노 구조 제어를 통해 광 흡수도와 결정성을 증가 시킬 수 있다. 또한 도너-엑셉터 계면의 표면적을 넓혀 광 흡수율을 증가 시킬 수 있으며 전자-정공 쌍의 재결합을 줄여 전극으로 전하 수집 효율을 증대 시키는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 유기 태양 전지의 효율 향상을 위해 광활성층의 나노 구조 제어를 통한 연구 결과를 나타내고 있다. 첫 번째 연구 결과에서는 바이레이어 이종접합 태양 전지에서 광활성층의 표면적을 증가시키기 위해서 간단한 고분자 블렌드를 통해서 상분리 현상을 이용하여 울퉁불퉁한 표면을 제작 할 수 있었다. 고분자 블렌드 시 polyethylene glycol (PEG)의 함량을 변화시켜 최적화 된 함량을 찾을 수 있었고 유기 태양 전지의 효율 향상을 볼 수 있었다. 효율 향상 시 크게 영향을 준 부분은 전류 밀도로 이것은 표면적이 증가된 광활성층에서 전자-정공 쌍이 많이 형성되었고, 이렇게 형성된 전자-정공 쌍은 효율적으로 분리 되면서 유기 태양 전지의 효율 향상에 기여할 수 있었다. 두 번째 연구 결과에서는 광활성층의 결정성이나 흡광도를 향상 시키기 위해 후처리 공정으로 일반적인 열처리 방법이 아닌 제논 램프를 이용하는 광소결 방식을 선택하였다. 일반적으로 열처리 시 공정 시간이 수 분인데 반해서 광소결 처리 시 공정 시간을 수 초로 줄일 수 있었다. 제논 램프의 에너지를 조절함에 따라서 최적화 된 광소결 조건을 찾을 수 있었고 최적화 된 조건에서는 일반적인 열처리 방법에 견줄만한 소자 효율을 얻을 수 있었다. 광소결 방식을 통해 열처리를 하였을 때 P3HT:PCBM 블렌드 필름의 결정성과 흡광도가 증가하는 것을 확인하였다. 또한 제논 램프의 일정 에너지 이상에서는 P3HT:PCBM 박막의 색이 옅어지는 포토블리칭 현상을 볼 수 있었고 이러한 현상으로 소자 특성이 크게 감소하는 것을 확인 하였다. 제논 램프를 이용한 광소결 방식은 유리 기판뿐만 아니라 유연 기판에도 적용할 수 있었으며 유연 기판에서도 소자 특성이 열처리를 하지 않은 것에 비해 크게 향상되는 것을 확인 할 수 있었다.