진공 공정이 없는 유기태양전지 제작 연구

Abstract

유기반도체를 광활성층으로 활용하는 유기태양전지는 상온, 상압에서 단순한 용액공정을 기반으로 낮은 생산단가로 제작 가능하다는 경제성과 더불어 유연한(flexible) 소자, 늘어날 수 있는(stretchable) 소자 등 다양한 형태로 제작이 가능하다는 장점으로 인해 미래 에너지 생산 소자로 주목받고 있다. 이러한 장점들을 최대한 활용하여 제작된 유연유기태양전지 또는 반투명유기태양전지는 기존의 실리콘 기반 태양전지로는 불가능했던 새로운 분야에 넓게 활용될 수 있기 때문에 상용화를 위한 지속적인 연구가 적극적으로 진행되고 있다. 유기태양전지는 빛이 입사되는 방향의 하부전극으로 ITO(Indium-tin Oxide) 투명전극을 사용하고, 상부전극으로는 알루미늄, 은, 금 등의 금속을 진공 증착하여 양쪽 전극을 구성한다. 하부전극을 유연한 기판에 진공 증착하여 제작하는 경우 전극이 단단한 결정성(crystallinity)을 가져 유연성이 저하되고 제작 공정 중 기판을 손상시킬 수 있어 적합하지 않다. 상부 전극 역시 별도의 진공장비를 필요로 하기 때문에, 이는 제작 비용을 증가시키는 요소가 된다. 따라서 진공장비를 이용한 전극 제작은 전체 공정 중에서 높은 비용과 시간을 소모하고 유연 소자 제작에는 적합하지 않으므로, 효율적이고 경제적인 대안을 찾는 연구가 반드시 필요하다. 이에 본 연구에서는, 진공 증착 대신 용액공정을 활용하여 전극을 제작하는 연구를 진행하였다. 용액공정법 중 하나인 스핀 코팅(spin coating)만을 이용하여 진공장비 없이 효과적이면서 간단한 공정으로 유기태양전지를 제작하는 방법에 대한 연구를 진행하였다. 하단에서부터 빛이 입사하여 엑시톤(exciton)을 형성하는 유기태양전지의 동작 원리에 따라, 하부전극은 높은 투과도가 요구되기 때문에 은 나노와이어(Ag nanowires)를 기반으로 제작하였다. 필름 형태로 제작된 은 나노와이어 필름은 가시광 영역에서 약 80%의 투과율을 보이며, 동시에 상용 ITO 전극에 준하는 전도도를 보여주었다. 그러나 은 나노와이어가 고농도로 무작위 분산된 용액을 이용하여 하부전극을 제작하면 상부전극과 닿는 단락 (short circuit)이 발생하는 문제가 있기 때문에 필름 제작 시 표면 제어가 필요하다. 따라서 균일한 은 나노와이어 필름의 표면을 얻기 위해 용액의 농도를 조절하고 하부전극 위에 적층하는 전자수송층인 ZnO sol-gel의 두께를 조절하여 와이어를 매립하면서 동시에 전자가 원활히 하부전극으로 추출될 수 있도록 조절하였다. 이 방법으로 제작한 소자는 최대 10.7%의 광전력변환효율을 보여, ITO 기판에 제작한 소자의 광전력변환효율(11%)에 준하는 성능을 나타내었다. 상부 전극은 은 MOD (Metal-Organic-Decomposition) 잉크를 사용하여 진공 증착으로 제작하는 금속 전극을 대체하였다. 은 MOD 잉크는 상온에서 투명한 용액으로 존재하지만 코팅 후의 열처리 과정에서 은 필름으로 변화하는 특성을 가지고 있고, 열처리 온도와 시간에 따라 전도도가 변화한다. 그러나 너무 높은 열처리 온도는 하부의 유기 광활성층을 손상시킬 수 있기 때문에 적절한 열처리 온도 제어가 필요하다. 본 연구에서 사용한 은 MOD 잉크는 유기 광활성층을 손상시키지 않을 만큼 낮은 온도(120oC)로 제작이 가능하고, 전도도는 대략 3.4×105 S/cm로 진공 증착법으로 제작한 은 전극의 전도도(4.3×105 S/cm)와 유사하다. 그러나 은 MOD 잉크를 직접 적용하면, 잉크의 기반이 되는 아민(amine)이 유기물로 구성된 광활성층을 손상시켜 소자가 작동하지 못하는 문제가 종종 발생한다. 이러한 문제는 GLYMO((3-Glycidyloxypropyl)trimethoxysilane)라는 물질을 보호층으로 도입하여 해결할 수 있었다. 이 방식으로 제작된 소자는 7.2%의 전력변환효율을 나타내었다.