[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

급격한 기후변화와 자원 고갈로 인해 화석 연료를 대체할 친환경적이고 안전한 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 태양빛으로부터 전기를 생산할 수 있는 태양 전지 기술은 가장 빠르게 성장하고 있는 신재생에너지 기술이다. 많은 연구진들이 태양 전지의 전력 변환 효율를 높이기 위하여 큰 노력을 기울이고 있다.

현재 차세대 태양전지로 광활성층에 유기 소재를 사용한 유기 태양전지에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 유기 태양전지는 용액공정이 가능하고, 가볍고, 유연하고, 반투명하게 만들 수 있다는 장점이 있어 현재 상용화된 실리콘 태양전지보다 응용 분야가 넓을 것으로 기대되고 있다.

유기 태양전지의 상용화를 위해서는 대면적 소자에서의 전력 변환 효율을 높이는 것이 중요한 과제이다. 하지만, 현재 보고되고 있는 대부분의 고효율 유기 태양전지들은 활성 영역이 작은 소자들(0.1 cm2 이하)이다. 광활성층 필름에 사용되는 유기 소재들의 뭉침 현상으로 인해 태양전지 성능 지표 중 하나인 충진율이 감소하게 되어 고효율의 대면적 유기 태양전지 제작에 어려움을 겪고 있다.

2. 연구내용

본 연구에서는 할로겐 원소를 포함하는 전자 받개 말단기를 도입한 새로운 비대칭 n-형 반도체, IPC1CN-BBO-IC2F, IPC1CN-BBO-IC2Cl를 개발했다. 또한, 현재 널리 사용되는 p-형 고분자 반도체인 PM6와 PBDB-T에 사용된 두 종류의 단량체를 같은 비율로 공중합한 새로운 p-형 공중합체 반도체, PM6-PBDBT(55)를 개발하여 대면적 유기 태양전지의 성능을 향상시키는 연구를 진행했다. 다양한 특성 분석을 통해, 비대칭 n-형 반도체와 p-형 공중합체 반도체 사이에 에너지 레벨이 잘 맞춰져 있다는 것을 확인하였다. 또한 두 물질들 간의 혼화성 조절이 잘 되어 대면적 유기 태양전지 소자 제작시 유기 소재의 뭉침 현상을 제어하여 균일한 광활성층 필름을 제작할 수 있었다.

균일한 광활성층 필름은 대면적 유기 태양전지 소자의 충진율과 전력 변환 효율 향상에 도움을 주었다. 그 중에서 가장 균일한 광활성층 필름을 가진 IPC1CN-BBO-IC2Cl과 PM6-PBDBT(55)의 블렌드 필름을 사용한 대면적 유기 태양전지는 58.5 cm2의 큰 활성 영역을 가짐에도 11.28%의 높은 전력 변환 효율을 기록했다. 이는 이제껏 발표된 이성분계 대면적 유기 태양전지 중에서도 상당히 높은 성능이다. 특히, 이 대면적 유기 태양전지는 동일한 유기 소재로 제작한 1.0 cm2의 활성 영역의 유기 태양전지 소자와 작은 충진율 차이를 보여 58.5 cm2의 큰 활성 영역의 대면적 유기 태양전지에서도 1.0 cm2의 활성 영역의 유기 태양전지 소자의 전력 변환 효율의 80%를 유지했다.

이제까지는 주로 활성 영역이 작은 고효율 유기 태양전지를 개발하는 연구 위주였던 반면에, 이번 연구에서는 대면적 유기 태양전지 소자 제작에 적합한 유기 소재들을 보고하였다.

3. 기대효과

이번 연구 결과는 비대칭 n-형 반도체와 p-형 공중합체 반도체의 화학적 구조 변화가 대면적 유기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있음을 보였다. PM6-PBDBT(55)와 IPC1CN-BBO-IC2Cl을 사용한 58.5 cm2의 활성 영역의 대면적 유기 태양전지에서 11.28%의 높은 전력 변환 효율을 기록하여 해당 유기 소재들의 대면적 유기 태양전지에서의 활용 가능성을 제시하였다. 또한 균일한 광활성층 필름을 만들기 위한 n-형 반도체와 p-형 반도체 간의 혼화성 조절이라는 고효율 대면적 유기 태양전지 제작을 위한 유기 소재들의 새로운 방향을 제시하였다.

[붙임] 용어설명

1. n형 반도체

다수 캐리어가 전자인 반도체 소재이다. 태양빛으로부터 생성된 엑시톤의 전자를 p-형 반도체로부터 받아들이고, 받아들인 전자를 전극으로 이동시키는 역할을 한다.

2. p형 반도체

다수 캐리어가 양공인 반도체 소재이다. 태양빛으로부터 생성된 엑시톤의 전자를 n-형 반도체에 주고, 그로 인해 생성된 양공을 전극으로 이동시키는 역할을 한다.

3. 혼화성(Miscibility)

두 물질이 서로 잘 섞이는 성질이다. n-형 반도체와 p-형 반도체 간의 혼화성을 조절하여 광활성층 필름의 뭉침 현상과 박막 거칠기를 제어할 수 있다.

4. 뭉침(Aggregation)

유기 태양전지의 광활성층에서 n-형 반도체 혹은 p-형 반도체가 뭉치는 현상이다. 광활성층에서의 과한 뭉침 현상은 유기 태양전지의 성능 저하의 원인 중 하나이다. 특히, 대면적 유기 태양전지의 제작 공정의 경우, 용매가 증발하여 광활성층 필름이 형성되는 속도가 느려 뭉침 현상이 더 잘 일어나게 된다.

5. 전자수용체(Electron acceptor)

다른 화학종으로부터 전자를 얻을 수 있는 능력을 가진 화학 종이다.

6. 공중합체(Copolymer)

물질 내부의 온도차이에 따라 두 개 이상의 단량체(Monomer)를 이용하여 중합한 고분자이다.

7. 광활성층(Photoactive layer)

유기 태양전지에서 태양빛을 흡수하여 양공과 전자를 생산하는 층이다.

8. 활성 영역(Active area)

유기 태양전지에서 태양빛을 흡수하여 전력을 생산해 낼 수 있는 소자의 영역이다.

9. 전력 변환 효율(Power conversion efficiency)

태양 전지의 성능을 평가하는 가장 중요한 지표로, 태양빛을 전력으로 변환한 비율을 나타내는 지표이다.

10. 충진율(Fill factor)

태양 전지의 성능을 평가하는 지표중 하나로, 태양 전지로부터 얻은 실제 전력과 얻을 수 있는 이상적인 전력의 비이다. 균일한 광활성층 필름이 유기 태양전지의 높은 충진율에 기여할 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. 본 연구에서 개발한 비대칭 n-형 반도체와 p-형 공중합체 반도체의 화학 구조 정보

비대칭 n-형 반도체 IPC1CN-BBO-IC2F, IPC1CN-BBO-IC2Cl과 널리 사용되는 p-형 고분자 반도체인 PM6와 PBDB-T의 단량체를 같은 비율로 공중합한 p-형 공중합체 반도체, PM6-PBDBT(55)의 화학 구조이다.

그림2. p-형 공중합체 반도체와 비대칭 n-형 반도체 블렌드 필름의 원자힘 현미경 이미지

두 블렌드 필름 모두 대면적 유기 태양전지 소자 저하의 원인인 유기 소재의 뭉침 현상 없이 균일한 필름을 형성하고 있다. 이 중 더 균일한 필름인 PM6-PBDBT(55):IPC1CN-BBO-IC2Cl 블렌드 필름을 사용한 유기 태양전지가 더 높은 효율을 보였다.

그림3. 대면적 유기 태양전지의 효율

본 연구에서 개발한 p-형 공중합체 반도체와 비대칭 n-형 반도체인 PM6-PBDBT(55)와 IPC1CN-BBO-IC2Cl을 사용한 대면적 유기 태양전지는 58.5 cm2의 큰 활성 영역을 가짐에도 11.28%의 높은 전력 변환 효율을 기록했다. 이는 이제껏 발표된 이성분계 대면적 유기 태양전지 중에서도 상당히 높은 성능이다. 또한 1.0 cm2 활성 영역의 소자와 58.5 cm2의 활성 영역의 소자의 충진율 차이가 적어, 대면적으로 유기 태양전지 소자를 제작해도 1.0 cm2 활성 영역의 소자 대비 80%의 전력 변환 효율을 유지했다.