유기 태양전지 효율 향상을 위한 주요 해결 과제 (1)

최근 유기 박막 태양전지의 응용성 및 시장성이 클 것으로 예상됨에 따라 유기 박막 태양전지에 대한 연구 열기가 뜨거워지고 있다. 하지만 유기 박막 태양전지의 실용화에는 아직 많은 시간이 필요하므로 우선은 원천 핵심 기술 및 기초 연구에 힘써서 내실을 다진 후에 본격적으로 실용화 연구에 나서는 것이 바람직할 것으로 생각한다.

이 창 희 서울대학교 전기컴퓨터공학부 교수

최근의 높은 석유 가격과 화석연료 사용에 따른 온실 가스 배출 등에 의한 환경 문제에 따라 깨끗하고 환경 친화적인 대체 에너지를 개발하려는 노력이 전 세계적으로 불붙고 있다. 특히 태양전지(Solar Cell)는 태양에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 반도체 소자로서 빛이 비치는 곳에서는 어디서나 전기를 생산할 수 있는 가장 친환경적인 전력원으로 주목을 받고 있다. 태양광 산업 시장조사 업체로 유명한 포톤 컨설팅(Photon Consulting)에 따르면 1990년대 저유가 시대에 태양광발전 시장의 연평균 성장률은 24%였지만 2000년대 고유가 시대에 접어들면서 38%씩 증가하고 있다. 포톤 컨설팅은 2008년 1월에 발표한 보고서에서 2006년까지 전 세계 태양광발전 용량은 2.6GW에 그쳤지만, 2010년에는 23.3GW로 빠르게 성장할 것으로 예측했다.

미래 주 에너지원의 하나로 태양전지가 자리매김 하기 위해서는 전력변환효율(Power Conversion Efficiency)과 가격의 두 가지 측면이 모두 우수해야 한다. 태양전지의 종류로는 대부분 실리콘(단결정, 다결정, 비정질) 태양전지이며, 이외에 III-V족 화합물반도체 (GaAs, InP, 등) 태양전지, CdTe, Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 등 박막형 태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기 태양전지 등이 활발하게 연구되고 있다.(1~4) 그동안 태양광 발전은 주로 실리콘 태양전지를 바탕으로 이뤄져 왔으며, 단결정 실리콘 태양전지의 전력변환 효율이 24.7 %까지 향상됐고, 제조 가격도 와트 당 4달러 수준까지 낮아졌으나(5), 아직도 다른 에너지 기술에 비하면 발전단가가 3~5배 정도 높아서 시장 확대에 한계를 가지고 있다.(3, 4) 다른 에너지 기술과 경쟁할 수 있기 위해서 태양전지의 발전 단가를 와트 당 1달러 이하로 획기적으로 내려야 하는데 실리콘 모듈로서는 한계가 있다. 따라서 낮은 가격으로 높은 효율의 태양전지를 양산하는 기술을 개발해야 하는데(1), 이를 위한 차세대 박막 태양전지 기술 중 하나로 유기 박막 태양전지(Organic Solar Cell)에 대한 연구가 유럽, 미국, 일본 등을 중심으로 활발하게 진행되고 있다.

그림 1에 보인 것과 같이 유기 박막 태양전지는 아직 실험실 수준의 작은 셀(크기 1cm2 이하)에서 전력변환 효율이 5.15% 수준으로 낮으나 향후 10~15% 수준까지 기술개발이 가능할 것으로 기대하고 있다.(2, 6) 그리고 값싼 유기 고분자 재료를 사용하고, 저온 상압의 간단한 제조 공정으로 대면적 모듈을 대량 생산할 수 있어서 차세대 태양전지 기술로서 큰 관심을 끌고 있다.(7) 그리고 기존의 태양전지와 달리 유기 태양전지는 플라스틱 등 유연한 기판에도 제조할 수 있어서 유연하고, 가볍고, 투명한 장점을 가지고 있기 때문에 응용 분야 및 시장성이 매우 클 것으로 예상되고 있다. 이 글에서는 유기태양전지 기술의 현황을 간략히 소개하고, 효율 향상을 위한 주요 해결 과제에 대해 설명하고자 한다.

그림 1. 태양 전지 기술별로 공인 측정 기관에서 검증된 세계 최고 기록의 연도별 발전 현황과 유기 태양전지의 향후 5년간 발전 전망.

유기 박막태양전지 구조의 발전 역사

그림 2에 유기 박막 태양전지의 구조를 나타냈다. 유기 반도체를 사용한 태양전지에 대한 연구는 1960년대부터 시작됐는데, 일함수가 다른 금속 전극 사이에 p-형 유기 반도체 박막이 낀 쇼트키 다이오드(Schottky Diode) 구조로 제작했다. 그런데 유기 반도체 박막의 전하 이동도가 아주 낮고, 빛에 의해 여기 된 엑시톤(Exciton)의 쿨롱결합에너지가 크기 (Eexciton > 0.2 eV) 때문에 자유 전하 생성 효율이 작아서 전력 변환 효율이 0.01% 이하로 낮았다.(8) 그런데 1986년에 미국 코닥사의 C. W. Tang 박사가 p-형과 n-형의 유기 반도체를 접합한 p/n 접합형 유기 박막 태양전지 구조를 개발해 전력변환 효율을 약 1% 수준으로 크게 향상시켰다.(9) 이 구조에서는 엑시톤이 p/n 접합 계면에서 자유 전자와 정공으로 쉽게 분리될 수 있었으나 엑시톤 확산 거리가 아주 짧아서 (ℓexciton 쩀 10nm) 전하 생성이 p/n 접합계면의 좁은 영역에서만 일어나고, 나머지 영역은 빛을 흡수해도 전하 생성에는 기여하지 않는 문제점이 있었다.(7) 이 문제를 해결하기 위해 p-형과 n-형 유기반도체를 동시에 증착해 전하 생성층의 두께를 넓히려는 시도가 진행됐으나 전력변환 효율은 1% 수준을 넘지 못하고 계속 정체됐다. 자유 전하 생성 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 아이디어는 1990년대 초 미국 UC Santa Barbara 대학의 A. J. Heeger 교수팀과 일본 오사카대학의 Yoshino 교수팀에서 이뤄졌다.(10~12) 전도성 고분자에 그 당시 막 발견된 플러렌(C60)을 넣은 박막에 빛을 조사하면 피코초 이하 (<10-12s)의 시간 영역에서 전도성고분자에서 C60로 전자가 전달되고, C60- 이온이 대단히 안정적이라는 것이 발견되었다.(10) 이 결과로 전도성 고분자에 아주 소량의 C60를 넣어도 광전도도가 크게 향상된다는 것이 발견됐다.(12) 따라서 p-형 유기 반도체인 전도성 고분자와 n-형 유기 반도체인 C60를 혼합한 박막을 만들면 p/n 이종 접합이 박막 전체에 존재하게 되므로 자유 전하 생성효율이 거의 100% 수준으로 높아진다. 이와 같이 p-형과 n-형 유기반도체 접합이 박막 전체에 3차원적으로 형성된 구조를 벌크 이종 접합(Bulk Hetero Junction) 구조라고 하고, 전력변환 효율이 5~6% 수준으로 크게 향상됐다.(.2, 6). 최근에는 C60 대신에 전자이동도가 높은 무기반도체 나노 입자 (CdSe, ZnO 등)를 전자수용체로 사용해 효율을 높이려는 연구도 활발하게 진행되고 있다.(13, 14)

그림 2. 유기 박막 태양전지 소자 구조의 발전 과정

벌크 이종접합(BHJ) 구조 유기 태양전지의 동작 원리

그림 3에 나타낸 것과 같이 박막 전체에 p-형 유기반도체와 n-형 유기반도체가 나노미터 영역에서 이종 접합 구조를 형성하고 있다면 박막에 흡수된 빛에 의해 여기 된 엑시톤은 인접한 p/n 접합 영역에서 자유 전자와 정공으로 분리될 것이다. p/n 접합 계면에서 엑시톤이 자유전자-정공으로 분리되기 위해서는 두 물질의 LUMO 또는 HOMO 에너지 준위의 차이가 엑시톤 결합에너지보다 커야한다(ΔLUMO, ΔLUMO > Eexciton). 박막 전체에 분포한 많은 p/n 접합 계면에서 분리된 전자와 정공은 각각 n-형 및 p-형 유기 반도체 네트워크를 따라 양쪽 전극으로 확산 및 유동해 광전류를 형성한다(7). 따라서 전자와 정공이 잘 분리돼 양쪽 전극으로 이동하기 위해서는 n-형 및 p-형 유기 반도체가 나노미터 영역에서 적절한 상 분리를 통해 Percolation Path를 형성하는 것이 중요하다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 p-형 및 n-형 유기반도체인 P3HT와 PCBM 블렌드 박막의 경우에는 최적 혼합 비율이 약 1:0.8(무게 비)로 알려져 있다.(7) 그리고 벌크 이종접합 구조의 유기 박막 태양전지의 Open-Circuit Voltage(Voc)는 주로 p-형과 n-형 유기 반도체의 에너지 준위 차이에 의해 결정되고 (Voc = ｜LUMOAcceptor(n-형) - HOMODonor(p-형)｜, 전극의 일함수 차이는 약간의 영향만 주는 것으로 밝혀졌다.(7)

유기 박막 태양전지의 효율 향상을 위한 주요 해결 과제

태양전지의 효율은 로 쓸 수 있다.

따라서 전력변환 효율을 높이기 위해서는 태양광의 흡수를 향상시키고, Jsc, Voc, FF(Fill Factor)를 높여야 한다. 유기 반도체는 다른 반도체보다 흡광계수가 높아서 (α>105cm-1) 박막의 두께는 약 100~200nm 정도로 제작해도 밴드갭 에너지 이상의 빛을 대부분 흡수할 수 있다(7). 그런데 대부분의 유기 반도체는 밴드갭이 약 2eV 이상으로 높기 때문에 태양광 스펙트럼의 일부분만 흡수한다. 그러므로 최대한 넓은 파장 영역에서 태양광을 흡수하기 위해서는 낮은 밴드 갭의 p-형 유기 반도체를 개발하고, 그 물질과 벌크 헤테로 접합을 잘 형성하는 n-형 전자 수용체를 개발하는 것이 중요하다. 최근에 이런 우수한 물질을 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있고, 우수한 성능을 나타내는 재료가 보고 되고 있다. 예를 들면, 그림 4에 보인 것과 같이 UCSB에서 밴드갭이 약 1.46eV인 전도성 고분자 (PCBDTBT)를 합성해 PCBM-C70와 블렌드를 했을 때 전력변환 효율이 약 5.5%에 이른다는 것이 발표했다(15). 그런데 유기 반도체는 π→π* 밴드 흡수가 아주 강한데 이 흡수대역 폭은 그림 4에 보인 것과 같이 좁다. 따라서 낮은 밴드갭 고분자를 사용하더라도 태양광을 전파장 영역에 걸쳐 넓게 이용하는데 있어서 단일 셀 구조로는 한계가 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 그림 5에 보인 것과 같이 밴드갭이 다른 두 셀을 수직으로 접합한 텐덤 구조(Tandem Cell)로 제작하는 방법이 있다. 또한 태양광을 프리즘으로 분광해 각 파장대역에 최적화된 단위 셀을 수평으로 연결하는 방법도 가능하다. 그런데 이 구조는 수직 탠덤 구조에 비해 광학적인 설계가 더 복잡하고, 실제 제작하기가 더 어려울 것으로 예상된다. 수직 탠덤 구조로 제작했을 때 아래쪽 투명전극을 통해 태양빛이 조사된다면 하부 셀은 단파장 빛을 흡수하고, 하부 셀을 통과한 장파장 영역의 빛은 밴드갭이 작은 상부 셀에서 흡수한다. 저항의 증가 없이 이상적으로 두 단위 셀을 직렬 연결하면 광전류는 동일하게 흐르고, 전체 셀의 Voc는 증가하므로 (Voc = Voc,1 + Voc,2) 효율을 크게 증가시킬 수 있다. 이와 같은 탠덤 셀 구조를 개발하는데 있어서 핵심 기술은 각 단위 셀을 직렬 연결하는 투명하고, 전도도가 높은 중간 전극(Inter Electrode)을 개발하는 것이다. 또한 탠덤 셀의 효율을 최대화하기 위해서는 상부 셀과 하부 셀이 태양광을 효과적으로 나눠 흡수할 수 있도록 각 각의 밴드 갭을 최적화해야 하며(Optical Matching), 직렬로 연결된 두 다이오드가 각 각 최고 효율로 동작하도록 광전류를 일치시키는(Current Matching) 소자 구조 설계가 필요하다. 최근 P3HT와 PCPDTBT 고분자 셀을 탬덤 구조로 제작해 6.5% 효율을 달성한 결과가 발표됐는데,(16) 아직 이론적으로 가능한 효율보다는 상당히 낮아서 많은 개선의 여지가 있다.

또한 유기 박막 태양전지의 효율을 높이기 위해 중요한 과제는 벌크 이종접합 고분자 박막의 질서도를 높이는 것이다. 광전류는 박막의 전하 이동도에 비례하는데, 무질서하게 p-형과 n-형 고분자를 혼합한 구조에서는 전자와 정공의 수송 특성이 나빠서 광전류를 높이기 어렵다. 따라서 나노미터 영역에서 p/n 이종접합을 형성하면서도 두 반도체가 잘 정렬된 구조를 만드는 것이 이상적이다. 이와 같은 구조를 직접 제작하는 것이 쉽지 않아서 현재까지는 적절한 용매를 사용해 상분리 정도를 조절하거나, 두 물질의 혼합 비율을 조절하거나, 소자 제작 후 열처리를 하는 등의 방법을 사용하고 있으나 그 효과는 제한적이다. 최근에는 무기반도체 나노 와이어를 수직으로 정렬하고 전도성 고분자를 그 사이 사이에 채워 넣거나, AAO(Anodized Alumina) 나노 템플레이트를 사용해 고분자 사슬 다발을 제작한 후 AAO를 녹여 내고, n-형 유기반도체 또는 나노 입자를 그 사이에 채워 넣는 방법 등을 시도하고 있으나 아직 전력변환 효율이 높지는 않다. 그러나 이와 같이 시도를 통해 정렬된 p/n 이종 접합 구조를 제작한다면 유기 박막 태양전지의 효율은 크게 향상될 수 있을 것이다. 최근의 시뮬레이션 결과에 의하면 유기 박막 단일 셀 구조에서 약 10%, 수직 2층 탠덤 셀 구조에서 약 15%의 효율을 달성할 수 있을 것으로 예상되고 있다.(17, 18)

그림 3. 나노 복합 구조를 이용한 유기 태양전지의 구조 및 원리

유기 박막 태양전지의 실용화 및 응용

유기 박막 태양전지의 최대 효율은 아직 약 5~6% 수준으로 낮지만, 최근 빠르게 발전하고 있고, 생산 비용이 다른 기술보다 획기적으로 낮을 것으로 예상된다.(2, 6) 유기 박막 태양전지는 스핀코팅, 스크린 프린팅, 롤(Roll-to-Roll) 코팅, 스프레이 페인팅 등의 다양한 제조 방법을 사용해 다양한 기판 (ITO유리 기판, 플라스틱 기판, 건물 외벽, 지붕 등)에 제작할 수 있어서 박막 태양전지의 가장 중요한 목표인 저가격, 대면적화를 실현할 수 있을 것이다. 또한 가볍고, 휘어질 수 있어 휴대하기 편리하고, 반투명하게도 만들 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 응용분야는 기존의 태양전지보다 훨씬 넓을 것으로 예상된다. 유기 태양전지의 응용 분야의 예를 그림 6에 나타냈다. 초기에는 효율과 수명이 작으므로 소형 MP3, 휴대폰, 노트북 등의 휴대용 전자제품에 사용되고, 수명 및 효율이 더 증가하면 점차적으로 지붕, 군용 야외 막사, 자동차 유리, 빌딩, 태양광발전 등으로 응용 범위가 확대될 것으로 예상된다.

그러나 아직 유기 박막 태양전지를 실용화하기 위해서는 해결해야할 과제가 많다. 특히 아직 효율이 낮고, 셀 면적이 작고 (<1cm2), 수명이 짧은 (<1000 시간) 실정이다.(2, 6, 7) 최근 논문에 유기 박막 태양전지의 효율이 5~6% 수준으로 발표되고 있으나 작은 셀 크기 (<1cm2)에서 측정된 결과이고, 일부 논문의 경우에는 측정값의 정확도도 논란이 되고 있는 실정이다.(19, 20) 현재 1cm2 크기의 유기 태양전지에서 현재 공인된(NREL에서 측정) 세계 기록은 미국 Konarka 사에서 발표한 5.15%이다.(5, 21) 따라서 유기 태양전지의 실용화를 위해서는 대면적 셀에서 전력변환 효율을 높이는 것이 가장 중요하다. 적어도 1cm2 이상의 셀 면적에서 10% 이상의 효율을 달성해야 실용화가 가능할 것으로 예상된다. 현재의 유기 박막 태양전지의 효율은 1980년대 초반의 비정질 실리콘 태양전지의 효율과 비슷하다. 비정질 실리콘 태양전지의 발전 과정을 따라 예측을 한다면 향후 5년 안에 1cm2 셀 크기 정도에서 효율이 10%를 돌파하고, 실용화 연구가 본격적으로 진행될 것으로 전망된다. 그리고 현재의 대면적 비정질 실리콘 태양전지 수준에 도달하려면 약 10~15년 정도의 연구가 필요할 것으로 예상된다. 따라서 기술 발전의 가속도를 고려한다면 유기 박막 태양전지의 실용화가 시작되는 시기는 적어도 10년 후 정도로 예상할 수 있다.

유기 박막 태양전지의 응용성 및 시장성이 클 것으로 예상됨에 따라 유기 박막 태양전지에 대한 연구 열기가 뜨거워지고 있다. 현재 유기박막 태양전지를 실용화하기 위해 적극적인 회사로는 미국의 Konarka, Plextronics 등의 벤처회사와 일본의 샤프 등이다. 최근 우리나라에서도 코오롱, SK에너지, KPF 등의 회사에서 유기 박막 태양전지의 실용화를 위한 연구를 시작했고, 정부에서도 기후변화 및 환경문제에 적극 대처하고 우리 경제의 성장 동력으로 발전시키기 위해 태양광에너지 산업 육성에 적극적이어서 국내의 유기 태양전지 기술 발전도 빠르게 진행될 것으로 기대된다. 그런데 앞에서도 말했듯이 유기 박막 태양전지의 실용화에는 아직 많은 시간이 필요하므로 성급한 상용화 시도보다는 우선은 원천 핵심 기술 및 기초 연구에 힘써서 내실을 다지고, 약 5~7년 후에 본격적으로 실용화 연구에 나서는 것이 바람직할 것으로 생각한다.

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