쉽게 만들고 오래쓸 수 있는 고효율의 태양전지!

이번달에 소개할 내용은 유기전자소자 및 나노광학 연구실의 가윤석 박사과정 학생의 연구 내용이다. 전기는 현대인의 없어서는 안될 중요한 자원이 되었는데 기존의 석유나 원자력을 이용해서는 자연 오염, 생태계 파괴, 등의 심각한 문제들이 발생하고 있다. 또한 천연 자원은 한정 되어 있기 때문에 자원 고갈의 문제 역시 인류가 해결해야 할 문제이다. 한정 된 천연 자원을 대체하기 위해서 다양한 친환경 기반 에너지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 태양빛을 이용한 전기 에너지는 근미래에 큰 변화를 가져올 분야로 각광받고 있다. 요즘 운전을 하다보면 하이브리드 차량들이 상당히 많이 보인다. 하이브리드 차는 석유와 전기 에너지를 동시에 사용하여 기존의 석유 기반 차량들보다 월등히 높은 연비를 보인다. 차량 업계에서는 10여년 후에는 하이브리드를 넘어서서 전기만을 이용하는 자동차가 상용화 될 것이라는 이야기들이 나온다. 이러한 시점에서 태양빛 에너지를 이용한 태양 전지의 연구는 아주 중요하다. 전기차의 동력원 혹은 보조 동력원으로 이용 될 수 있기 때문이다.  기존에도 상당한 연구가 진행되었고 지금도 진행 중인 태양 전지. 가윤석 학생의 논문에 대해서 더욱 자세히 알아보자.

Effects of annealing temperature of aqueous solution-processed ZnO electron-selective layers on inverted polymer solar cells

서울대학교 유기전자소자 및 나노광학 연구실

박사과정 가윤석

 

1.  새로운 에너지원의 필요성

무한, 청정 에너지원인 태양빛을 이용한 전기 에너지의 생산은 화석연료의 고갈에 대비하여 최근 널리 연구되고 있는 분야이다. 이미 실리콘을 기반으로 한 태양전지의 경우 상용화가 이루어져 주변에서 어렵지 않게 볼 수 있게 되었으나, 비싼 설비비용과 일상생활 곳곳에 적용하기 힘들다는 점은 높은 에너지 변환 효율에도 불구하고 실리콘 태양전지의 단점으로 지적되고 있다. 반면에 유기태양전지는 제작비용이 저렴 하며, 스핀코팅이나 스프레이 코팅 등을 이용하여 대면적에 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, PET (Polyethylene tereohthalate)나 PES (Polyethersulfone) 등의 휘어지는 기판 위에 제작이 가능하여 옷이나 가방 등 실생활에 응용할 수 있다는 장점이 있어 널리 연구되고 있다.


2.  저온 공정을 통한 산화아연의 형성과 이를 사용한 태양전지의 제작

높은 안전성을 가지는 역구조의 태양전지를 유연한 기판 위에 제작하기 위해서는 저온에서 모든 공정이 이루어져야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 Meyers가 2008년 JACS (Journal of the American Chemical Society)에 게재한 논문에서 제안한 aqueous amine 방법을 유기 태양전지에 적용하고 산화아연(ZnO)의 형성 온도에 따른 특성 변화를 분석하였다.

Figure 1. ZnO를 사용하여 제작한 역구조의 유기태양전지

산화아연의 형성 온도가 변함에 따라 이를 사용한 태양전지의 성능도 다르게 나타난다. Figure 1에 보듯이 60 °C 이하에서 형성한 산화아연 소자는 낮은 성능을 보이는 반면, 80 °C 이상에서 형성한 산화아연을 사용한 소자는 좋은 성능을 보인다. 결과적으로 80도의 낮은 온도에서도 좋은 성능을 보이는 태양전지를 만들 수 있게 된 것이다.

3.  산화아연 형성온도에 따른 특성분석

산화아연의 형성 온도에 따라 소자의 성능이 달라지는 이유를 찾기 위해 형성온도에 따른 산화아연 필름의 특성을 grazing incidencewide-angle x-ray scattering (GI-WAXS), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), optical transmittance 측정 등을 통해 확인하였다.



Figure 2. (왼쪽) 온도에 따른 산화아연의 XPS 측정 결과, (가운데) GI-WAXS 측정을 통한 결정성 확인, (오른쪽) Optical transmittance 측정

Figure 2에서 얻은 결과를 바탕으로 산화아연 필름의 형성온도에 따라 산화아연 필름의 조성 및 결정성에 변화가 있고 또한 산화아연의 밴드갭에도 변화가 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 변화가 inverted 구조의 태양전지 내에서의 역할에도 영향을 끼쳐 결과적으로 60 °C 이하의 온도에서 형성한 산화아연을 사용한 소자의 특성이 좋지 않았음을 알 수 있었다.

4.  앞으로의 연구계획

기존의 상용화된 대부분의 태양전지는 웨이퍼나 글라스와 같은 단단한 기판위에 태양전지가 형성되어 있기 때문에 어느 정도 힘을 주어 구부리게 되면 형태가 변화거나 부서지게 된다. 하지만 차세대 태양전지로 연구가 한참 진행 중인 플렉서블 태양전지(Flexible Solar Cell)는 마음대로 구부리거나 휠 수 있는 태양전지이다. 따라서 상황에 따른 형태의 변형이 가능하고, 유연성을 위해 주로 박막형 태양전지가 유연성 기판위에 구성되므로 가볍고 휴대성도 매우 뛰어나다.

위의 연구결과를 통해 본인의 연구실은 저온에서도 좋은 성능을 갖는 태양전지를 제작할 수 있었다. 저온 공정의 목적이 플렉서블한 태양전지를 만드는데에 있기 때문에 앞으로의 계획으로는 실제로 PET, PES 등의 휘어지는 기판 위에 태양전지를 만들어 저온 공정의 우수성을 보일 예정이다. 또한 이번 연구에 사용된 산화아연은 매우 얇고, 투과도 또한 뛰어나기 때문에 조금의 개량을 거친다면 탠덤 구조의 태양전지의 중간 전극으로의 역할 또한 할 수 있을 것이라 생각된다.