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.
그림 4. 밴드갭이 약 1.46eV인 전도성 고분자 (PCBDTBT)의 화학 구조 및 P3HT와의 IPCE 비교
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 5. 수직 탠덤 셀 구조와 프리즘을 이용해 수평으로 파장을 분해해 각 단위 셀에 입사하도록 하는 수평 직렬 셀 구조
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.
자료 : Konarka 웹사이트 (http://www.konarka.com), C. J. Brabec (Konarka), Organic Electronics Conference and Exhibition 2007 (2007. 9. 24-26, Frankfurt)
그림 6. 유기박막 태양전지의 응용 분야의 예. 우측 상단에는 2000년도 노벨화학상 수상자인 A. J. Heeger 교수가 대면적 유기태양전지 패널을 보여주고 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.
참고문헌
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(21) Konarka website (http://www.konarka.com).
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