유기 태양전지용 계면 전계 및 수명평가 장치

첨단 계측 기술, 유기 태양전지 실용화에 박차

다구치 다이·마나카 다카아키·이와모토 미쓰마사

도쿄공업대학 대학원 이공학연구과 전자물리공학 전공

유기계 태양전지는 색소 크게 증감 태양전지와 유기 박막 태양전지로 나눌 수 있는데, 양쪽 모두 최근 연구 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 연구용 셀의 효율도 10%가 넘는 것으로 보고되고 있다. 이 중 유기 박막 태양전지는 기존의 실리콘 등과 같은 무기재료를 대신해 풀러렌(Fullerene) 등의 유기분자 및 고분자 재료를 이용하는 태양전지다.

다양한 유기재료를 조합해 100nm 이하의 박막형으로 태양에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 현재 발전 효율을 향상시키기 위해 새로운 재료의 개발과 박막 제작 프로세스의 개선이 활발하게 이뤄지고 있으며, 앞으로는 실용화를 위한 장수명화 기술도 중요해질 것이라는 판단이다. 이처럼 유기 박막 태양전지의 실용화는 이제 막 발걸음을 내딛는 단계로, 하나하나 개선해 나갈 필요가 있다. 그러기 위해서는 연구개발 단계의 태양전지 셀을 평가 분석해 성능 향상으로 연결시킬 필요가 있다.

그러나 기존의 분석 방법은 모두 캐리어(전자와 홀)의 거동을 간접 추출하는 방법으로, 실제 태양전지 내부에서 태양광 조사에 의해 캐리어가 생성되고 광기전력을 발생시키는 모습을 직접적으로 알기는 어렵다. 유기 태양전지 내부에서 생성 및 소멸되는 캐리어의 모습을 직접 포착해 가시화할 수 있다면 에너지 변환 효율의 매핑이나 열화 개소의 특정이 가능하므로 디바이스 평가법으로서 강력한 툴이 된다.

이에 따라, 유기재료의 성질을 근거로 전계 유기광 제2차 고조파 발생(EFISHG법)을 사용한 새로운 캐리어 수명 평가 방법의 개발에 주력하고자 한다. 이 방법에 의하면, 유기 박막 태양전지 내부 캐리어 거동을 직접 가시화할 수 있고, 태양전지 성능의 주요 파라미터인 캐리어 수명 매핑도 가능하다.

유기 태양전지의 내부에서 생성·소멸되는 캐리어의 가시화

그림 1은 적층막형 유기 박막 태양전지의 단면을 나타낸 것이다. 그림에 있는 것과 같이 2개의 유기재료(도너 분자·억셉터 분자)가 적층되며, 그 막 두께가 100nm 이하인 초박막이다. 투명전극(ITO나 IZO로 만들어진다)을 통해 태양전지로 빛이 입사되면, 먼저 도너 분자 또는 억셉터 분자가 그 빛 에너지를 받는다. 도너 분자는 전자를 상대측에 전달하는 성질을, 그리고 억셉터 분자는 전자를 상대측으로부터 전달받는 성질을 가지고 있기 때문에 이것들을 적층해 박막으로 만들면 억셉터 분자가 전자를 받고 도너 분자에는 전자를 전달한 후 홀이 남는다. 이로써 나뉜 전자와 홀을 전극에서 꺼내면 발전이 이뤄진다.

여기에서 소개하는 유기 태양전지용 계면 전계 및 수명 평가 장치는 태양전지 내부에서 생성 및 소멸하는 전자와 홀을 광학적으로 가시화하는 세계 최초의 장치라 할 수 있다.

유기 태양전지에 태양광을 조사하면, 앞서 기술한 바와 같이 태양전지 내부에 전자와 홀이 생성된다. 그러나 현미경으로 들여다봐도 전자와 홀의 입자를 직접 볼 수는 없다. 이것은 전자의 크기가 대단히 작아(10-15m 정도로 예측) 현미경으로 보기에는 너무 작기 때문이다.

한편, 전자와 홀은 전하 q(전자는 q=-e, 홀은 q=+e. e는 기본 전하량)의 전기를 가지고 있으며, 전계 E0가 거기에서 나와 주변 공간으로 퍼지고 있다(그림 2 참조). 이 퍼지고 있는 전계도 역시 평상시에는 보이지 않지만, 레이저 빛과 같은 강한 광원으로 비추면 이것들은 전자 입자보다 공간적으로 퍼져 있으므로 가시화할 수 있게 된다(전계 유기광 제2차 고주파 발생법 : EFISHG법). 이처럼 전계를 가시화해 그 근원인 전자 및 홀의 분포를 가시화하는 것이 이 장치의 원리다.

강한 레이저 빛을 유기재료에 조사한다고 해도 레이저 빛의 조사 시간은 수 나노초(1 나노초=1,000,000,000분의 1초)이므로 레이저 빛에 의해 재료가 파괴되는 일은 없다. 유기 박막 태양전지에서는 도너 분자와 억셉터 분자의 2개 재료 외에도 고효율 태양전지로 하기 위해 다양한 재료가 사용되고 있다. 따라서 이 장치에서는 레이저광의 파장(발생하는 EFISHG 파장은 그 절반의 파장)을 재료에 맞춰 적절하게 선택함으로써 적층막 중 특정한 재료의 전계를 선택적으로 평가할 수 있도록 했다.

또, 태양광 조사와 레이저광 입사의 타이밍을 제어함으로써 빛 조사 시작 후 기전력이 발생해 캐리어가 계면에 서서히 축적해 가는 과정과 빛 조사를 멈추고 캐리어가 서서히 사라져 가는 과정을 10ns∼10ms의 넓은 시간 레인지로 측정할 수 있다(펄스 레이저의 반복 주파수는 10Hz, 펄스 폭은 4ns 정도인 경우).

유기 태양전지 속에서 생성되는 캐리어의 수명 평가

여기에서는 대표적인 측정 사례로, 도너 분자로 구리 프탈로시아닌, 억셉터 분자로 풀러렌을 사용한 2층 적층형의 유기 박막 태양전지에 대해, 빛 조사로 생성되는 계면 전하의 캐리어 수명을 분석한 결과를 기술한다.

태양전지 실험 자료에 빛을 조사하면 내부에서 광기전력이 생기고 전자와 홀이 생성된다. 그리고 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 생성된 전자와 홀이 다시 결합해 원래대로 돌아가 버리기 전에 전극에 꺼내는 것이 중요하다. 여기서 빛 조사로 생성된 전자나 홀이 빛 조사를 멈춘 후 사라져 버릴 때까지의 시간을 ‘캐리어 수명’이라고 하는데, 이것이 길수록 전극까지 도달하는 캐리어가 증가하기 때문에 태양전지를 평가하는 데 있어서 중요한 요소 중 하나가 되고 있다.

개발 장치를 통해 캐리어의 생성 및 소멸 과정을 가시화할 수 있으므로 빛 조사 후 캐리어가 소멸하는 시간을 직접 알 수 있다.

그림 3은 구리 프탈로시아닌/풀러렌 2층 적층 태양전지의 전압-전류특성(I-V 특성)을 나타낸 것이다. 광기전력이 생기고 태양전지 내부에서는 풀러렌에서 구리 프탈로시아닌 쪽을 향해 전류가 흐른다는 것을 알 수 있다. I-V 특성은 태양전지 특성을 평가하는 기본적인 측정이지만, 이 측정만으로 캐리어 수명을 결정하기 위해서는 상세한 물리 모델에 의한 분석이 필요하다. 이 장치를 사용하면 태양전지 내부에 나타나는 캐리어의 시간 변화를 직접 측정해 캐리어 수명을 정할 수 있다.

그림 4는 이 장치를 통해 구리 프탈로시아닌/풀러렌 2층 적층형 유기 박막 태양전지를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이것은 레이저광 파장을 1,000nm(EFISHG 파장 500nm)로 함으로써 억셉터 분자인 풀러렌 층의 전계를 선택적으로 측정하고 있다. 왼쪽 그림은 빛 조사 시작 후 변화, 오른쪽 그림은 빛 조사를 멈춘 후 EFISHG 강도 변화를 나타낸 것이다. 또 가로축은 빛 조사 시작 직후, 조사 정지 직후를 t=0s로 해서 대수축으로 나타낸 것이다.

이를 통해 빛이 조사되면 EFISHG 강도가 커지고, 어두운 상태로 되돌리면 빛 조사 전의 강도로 되돌아감을 알 수 있다. 이는 빛 조사에 의해 전자가 과잉으로 생성돼 풀러렌 층의 전계가 커지고, 빛 조사를 멈추면 생성된 전자가 서서히 소멸돼 풀러렌 층의 전계가 작아져 원래 상태로 되돌아가는 것을 암시한다. 이 같은 과도변화의 시정수로부터 전자가 생성하는 시정수와 전자가 소멸하는 시정수를 결정할 수 있다. 실제 실험 데이터는 노이즈도 많기 때문에 개발한 장치에서는 필터링이라고 불리는 수치 분석 방법을 사용해 시정수를 분석했다.

그림 5는 측정으로 얻은 EFISHG 과도 파형(그림 4)을 필터링 처리로 분석한 결과를 나타낸 것이다. 필터링 결과에는 과도 신호의 시정수에 대응해 피크가 나타나고, 그림 5에는 캐리어 생성 시정수로서 tch, 캐리어 수명에 해당하는 캐리어 소멸 시정수로서 tL1, tL2가 나타나 있다. 이 결과로부터 구리 프탈로시아닌/풀러렌의 2층 적층형 유기 박막 태양전지에서는 빛 조사에 의해 전자가 tch=1.4×10-4s로 계면에 축적되고, 이 전자는 빛 조사를 멈추면 다른 시정수를 가지는 2개의 프로세스로 소멸되며, 각각 시정수가 tL1=5.3×10-5s 및 tL2=6.2×10-2s라는 것을 알 수 있다.

이 장치로는 구리 프탈로시아닌/풀러렌 2층 태양전지 외에도 펜타센/풀러렌 2층 적층형 태양전지나 효율 개선을 위해 3층에 BCP 분자를 삽입한 펜타센/풀러렌/BCP 3층 적층형 태양전지로 캐리어 생성 및 소멸이 어떻게 변화되고 있는지 등 다양한 유기재료 속 캐리어의 거동을 가시화할 수 있다.

지금까지 EFISHG법에 의한 유기 태양전지용 계면 전계 및 수명 평가 장치에 대해서 기술했다. 유기 박막 태양전지의 연구는 21세기에 들어와 국내외에서 활발하게 진행되고 있으며, 연구용 셀로 10%를 넘는 효율을 가진 것도 보고되고 있다.

재생 가능 에너지 중에서도 특히 태양광발전은 일본 내에서 기술적 축적이 크고，발전 방식 그 자체의 인지도도 높기 때문에 그 도입에 기대가 크다. EFISHG법을 비롯해 첨단 계측 기술이 유기 태양전지 등의 실용화를 가속화하는 데 있어 크게 도움이 될 것으로 기대된다.

한편, 이 장치는 JST 첨단계측분석기술·기기개발 프로그램(개발 리더 교마스 미키오, 프리사이스게이지 사)에 의해 개발됐다.

본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ-ンテクノロジ-와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다.

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