고효율·대면적 유기 태양전지 개발
고효율·대면적 유기 태양전지 개발
  • 이웃집편집장
  • 승인 2023.08.17 14:23
  • 조회수 1783
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큰 면적에서도 높은 효율을 내는 유기 태양전지가 개발됐습니다. 차세대 태양전지로 주목받고 있는 유기 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 다가설 예정인데요.

 

UNIST 화학과 김봉수 교수팀은 KIST 차세대 태양전지 연구센터 손해정 박사팀과 공동으로 고효율의 대면적 유기 태양전지 소재를 개발했습니다. n형 반도체와 p형 반도체가 섞이는 혼화성을 조절해 기존 대면적 유기 태양전지 효율 저하의 원인인 유기 소재의 뭉침 현상을 제어했습니다.

 

유기 태양전지는 현재 상용화된 실리콘 태양전지보다 가볍고 유연성을 가지며, 반투명하게 제작할 수 있어 차세대 전지로 주목받고 있습니다. 하지만 소자의 제작과정에서 발생하는 유기 소재의 뭉침 현상으로 높은 효율을 내기 어려웠죠.

 

먼저 공동연구팀은 전자를 받아들이는 전자수용체 말단에 위치한 원자를 도입해 ‘비대칭 n형 반도체’를 개발했습니다. 반도체의 고분자화합물을 이루는 두 종류의 단량체를 결합시켜 새로운 ‘p형 공중합체(co-polymer) 반도체’ 또한 개발했습니다.

개발된 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. 출처 : UNIST
개발된 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. 출처 : UNIST

연구팀은 새로 개발된 반도체들의 혼화성을 조절해 대면적 유기 태양전지 소자 제작과정에서 유기 소재의 뭉침 현상을 제어했습니다. 또, 박막의 거칠기를 수나노미터 단위에서 제어할 수 있는 균일한 광활성층 필름을 제작했는데요.

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.출처 : UNIST
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.출처 : UNIST

 이번 연구에서 개발된 반도체들을 사용한 대면적 유기 태양전지는 58.5cm2의 큰 면적에서도 11.28%의 높은 전력 변환 효율을 기록했습니다. 지금까지 발표된 비슷한 크기의 유기 태양전지의 평균 전력 변환 효율인 6.69%와 비교해도 상당히 높은 성능입니다.

 

손해정 박사는 “58.5cm2의 대면적 유기 태양전지에서도 1cm2 유기 태양전지 소자의 충진율을 유지했다”며 “1cm2 소자 대비 80% 전력 변환 효율 또한 유지하며 높은 효율 안정성을 달성했다”고 덧붙였습니다.

 

김봉수 화학과 교수는 “이번 연구는 n형 반도체와 p형 반도체 간의 혼화성 조절이 대면적 유기 태양전지 성능을 향상시킬 수 있다는 새로운 방향을 제시했다”며 “본 연구가 앞으로의 고효율의 대면적 유기 태양전지 개발에 기여할 수 있기를 기대한다”고 전했습니다.

연구 결과는 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 7월 14일 온라인 게재됐습니다.

논문명: Efficient and scalable large-area organic solar cells by asymmetric nonfullerene acceptors based on 9H-indeno[1,2-b]pyrazine-2,3,8-tricarbonitrile

 

#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.


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