다양한 음전극의 반사도에 따른 고분자 태양전지 제작 및 특성 평가

Abstract

태양전지는 이미 우리생활의 중요한 한 부분을 차지하고 있으며 간단하게는 시계, 계산기 등의 전원으로 이용되며 크게는 위성 통신과 같은 항공우주 분야와 대규모 전기발전소에 사용된다. 태양전지는 환경오염을 유발하지 않기 때문에 청정 재생 에너지원으로 분류되며, 물질의 종류에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 구분될 수 있다. 무기 태양전지의 경우 고가의 단결정 대신 저가의 다결정 및 비정질 실리콘 태양전지 개발에 관심을 가지고연구개발이 진행되고 있으나, 다결정이나 비정질의 경우 에너지변환 효율이 단결정에 비해 매우 낮은 것이 흠이다. 따라서 이러한 문제를해결하기 위하여, 즉 높은 효율과 함께 가격을 낮추기 위하여 단결정을 박막화하여 이를 태양전지 제조에 이용하는 연구가 진행되고 있다. 결정질 실리콘 태양전지와 비정질 실리콘태양전지의 제조단가는 공공전기 요금수준으로 맞추기에는 비싼 편이다. 이와 반대로 유기 태양전지는 유기 재료의 손쉬운 가공성과 다양성으로 인해 기존 태양전지와 비교하여 소자 제작과정이 간단하고 저가형 혹은 차세대 플렉시블 전자소자의 전력원과 같은 폭넓은 응용이 기대되는 소자이다. 본 논문에서는 유기 태양전지에서 다양한 금속 top 전극을 (Al, Ag, Au, Ni, Fe, Ti) 사용하여 반사도에 따른 유기 태양전지의 전력변환효율(power conversion efficiency) 을 평가하였으며, 각 metal electrode에 대한 reflectivity, sheet resistance, electrical conductivity, work function을 분석 및 측정하여 각 metal 전극의 특성에 따른 유기 태양전지의 의존성에 대하여 알아보았다. 각 metal들의 가지는 높은 반사도에 따라 전력변환효율도 같이 상승하는 것을 Al 6.53 %, Ag 5.87 %, Ni 5.11 % 의 측정결과를 확인 할 수 있었으며 이와 반대로 낮은 반사도를 가지는 Fe, Ti 는 각각 0.93 %, 0.02 % 로 낮은 전력 변환 효율을 나타내었다. 반사도와 유기 태양전지는 밀접한 관계를 가진 다는 것을 알 수 있지만 Au의 경우 평균이상의 반사도(64.8 %)를 가지면서도 1.26 % 의 낮은 효율을 나타냈다. 이는 exciton/hole blocking layer로 사용되는 BCP와 Au 의 energy level 차이에 의해 전자의 이동을 저해 요인으로 작용되었다. 이를 극복하기 위해 buffer layer로 LiF를 삽입하여 유기 태양전지를 제작하여 측정한 결과 전력변환효율이 201 %가 증가 되는 결과를 얻게 되었다. 이를 통하여 알 수 있는 것은 metal top electrode 선택에 있어서 energy level 차이에 기인하는 소자 구조의 설계가 중요하다는 것을 알 수가 있다.