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신소재경제·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(5)-제1장 태양전지 소재기술-유기 태양전지 소재기술(2)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

투광형 유연 태양전지 新 패러다임 제시



■ 투광형 유기 태양전지 소재기술의 연구개발 동향

○ 국내 동향

유기 태양전지는 다양한 광활성 소재 및 대면적 모듈을 위한 핵심 소재 및 공정 기술 개발의 진보를 통해 현재 상용화 수준에 이르는 효율을 눈앞에 두고 있다. 그러나 기타 bulk Si, thin film Si, CIGS 등과 같은 고효율, 유연 태양전지들과 시장 경쟁을 해야 하는 상황에 놓여 있다. 태양전지의 경쟁력이 상대적으로 낮은 이유는 높은 기계적 유연성에도 불구하고 낮은 효율과 내구성 문제가 여전히 존재하기 때문이다. 그러나 이러한 효율 및 내구성 문제는 새로운 소재 개발을 통해 급격히 개선되고 있으므로 상용화에는 큰 문제가 되지 않을 것으로 판단한다.

한편, 유기 태양전지는 기존 태양전지에서 기대할 수 없는 특성으로 투광성이 확보된 유연 태양전지 개발이 가능하다는 것이 특징이며, 고정, 집중 발전형 시장 이외에 모바일, 건축 등 이동, 분산 발전형 시장에 맞춤형으로 적용할 수 있다. 이와 같은 새로운 패러다임과 니즈에 부합하기 위하여 유기 태양전지는 다음의 그림과 같은 방향으로 소재·소자·모듈이 개발되고 있다.

유기 태양전지 개발 초기뿐만 아니라 현재에도 모든 소재의 테스트 및 검증은 ITO glass 기반의 단위 셀(Unit cell)로 이루어지고 있으며, 이후 유연 단위 셀, 유연 모듈로 개발이 이루어진다. 또한, 상부 전극으로 은 전극 증착(또는 페이스트)하여 사용하기 때문에 불투명한 특징을 가진다.

앞서 언급한 바와 같이, 앞으로는 유기 태양전지의 장점을 극대화할 수 있는 투광형 유연 태양전지 분야가 새로운 패러다임을 제시할 것이다. 유연 투광형 유기 태양전지 핵심은 상, 하부 전극 소재로서 본고에서는 소재 관점에서 비교 기술하고자 한다.

국내 투광형 유기 태양전지의 경우 국외 기관보다 상대적으로 개발에 대한 관심이 늦은 편이다. 2010년에 KAIST 연구팀에서 상부 전극 소재로 WO3/Ag/ZnS를 이용하여 투과도 <20%, 효율 약 1.8%의 단위 셀 형태의 반투광 유기 태양전지를 보고하였다. 이후, 2015년에야 아주대학교 연구팀에서 하부 전극으로 은 나노와이어 전극, 상부 전극으로 전도성 폴리머(PH1000)를 이용한 투광형 유기 태양전지 소자를 개발하였다. 투광도는 550nm가 아닌 약 700nm 위치에서 ~ 70%를 보이고 있으며, 약 2.3%의 낮은 효율을 보이나 모든 과정을 솔루션(solution) 공정을 사용하였다는 것에 큰 의미가 있다고 할 수 있다.

2016년도부터 다양한 투명 전극 소재를 적용한 투광형 유기 태양전지가 개발되기 시작한다. 태양전지용 롤투롤(roll-to-roll) 코팅 장비 및 표면처리 장비를 개발하는 성안기계에서는 투과율 ~20%, 효율 1.5%의 서브 모듈(100 cm2)을 개발하였다. 그러나 상부 전극으로 실버 전극을 이용, 전극 간의 간격 조절을 통한 투과성 확보 기술로 투광형 전극 소재 개발 적용이 필요하다. 재료연구소에서는 OMO 상부 전극을 이용하여 9% 이상의 고효율 투광형 태양전지 소자(PTB7:PC71BM사용)를 개발하였다. 투광도 또한 30% 이상으로 현재 보고된 투광형 유기 태양전지 중 가장 고효율을 보고하고 있다. 또한, 전극 크기 5x7cm2, 유효 면적 15cm2)의 서브 모듈급 ~4%의 투광형 유기 태양전지를 개발하였다.

○ 해외 동향

해외 주요국의 연구개발 동향은 다음과 같다.

가. 미국

UCLA(University of California, Los Angeles)에서 단위 셀 구조로 투광도 62%, 효율 3.6%의 적측형(tandem) 구조의 투명 유기 태양전지 셀을 구현하였다.

나. 일본

Keio 대학에서는 투광도 50%, 효율 2%의 단위 셀 구조의 투명 유기 태양전지를 개발하였다.

다. 유럽

독일의 드레스덴 대학교(TU Dresden)와 베이루스 대학교(University of Bayreuth)에서는 각각 투광도 24%, 57%, 효율 5% 대의 유기 태양전지 단위 셀을 개발하였다.


국내, 국외 기관보다 상대적 관심 늦어

장진 교수, PANI/Ag 이용 투명 전극 개발



○ 기타 전극소재기술 동향

투광형 유기 태양전지를 개발하기 위해서는 상부 전극으로 사용되는 불투명 은 전극 소재를 투명한 전도성 전극 소재로 대체하여야 한다. 현재까지 투명 유기 태양전지를 만들기 위해 개발, 적용된 투명 상부 전극 소재는 크게 다음과 같이 4가지 소재 기술로 분류할 수 있다.

가. 은(Ag) 나노와이어(또는 박막)와 복합소재

① 미국, UCLA, Dr. Yang Yang

2012년, 2013년 연속하여 미국 UCLA의 Yang Yang 교수 연구팀에서는 은(Ag) 나노와이어를 기반으로 한 투명 전도성 전극을 적용한 투광형 유기 태양전지를 개발하였다. 이는 투광도 ~ 66% at 550nm, 효율 약 4%를 보고하였다.

② 독일, FAU, Dr. Chritoph J. Brabec

독일 뉘른베르크에 위치한 FAU의 Christoph J. Brabec 교수 연구팀에서는 더 나아가 상부 및 하부 전극 모두 Ag 나노와이어 전극을 이용하여 투광형 유기 태양전지를 개발하였다. 이는 투광도 ~ 30% at 550nm, 효율 약 2.2%를 보고하였다.

⓷ 미국, Stanford University, Dr. Michaele D. McGehee

2013년 McGehee 교수 연구팀은 상부 전극으로 Ag 나노와이어와 ZnO 나노입자가 복합화된 투명 전극을 개발하여 투광형 유기 태양전지를 개발하였다. 이는 투광도 ~ 30% at 550nm, 효율 약 4.3%를 보고하였다.

⓸ 미국, University of Washington, Dr. Alex K. Y. Jen

2012년 Dr. Jen 연구팀은 일반적인 태양전지 구조에서 상부 Ag 전극의 두께를 초박형으로 제작, 고효율의 투광형 유기 태양전지를 개발하였다. 이는 투광도 ~ 36% at 550nm, 효율 약 4.25%를 보고하였다.

⓹ 독일, Max Planck Institute of Quantum Optics, Dr. Karl Leo

2012년 막스플랑크의 Karl Leo 교수 연구팀에서는 Ag, CNT, PEDOT 등 기존에 알려진 투광도 확보가 가능한 다양한 전도성 전극을 상, 하부 전극으로 조합하여 반투광형의 유기 태양전지를 개발하였다. ITO-thin Ag 전극 구조와 Ag 나노와이어-thin Ag, Ag-thin Ag 전극 구조에서 약 2%에 해당하는 효율의 태양전지를 개발하였다. 이때 대부분의 조합에서 투광도는 30 미만의 결과를 보였다.

나. PEDOT을 기본으로한 유기물 소재

① 미국, University of Washington, Dr. Alex K. Y. Jen / 스웨덴, Linkoping University, Dr. Fengling Zhang

2009년 미국의 Alex K.Y. Jen 및 스웨덴의 Fengling Zhang 그룹에서는 상부 전극으로 PEDOT:PSS 전극을 이용한 투명 전극을 개발하여 투광형 유기 태양전지를 개발하였다. 그러나 효율이 0.4~2.5% 수준이다.

② 한국, 경희대학교, 장진 교수

2013년 경희대학교 장진 교수 연구팀에서는 PANI/Ag 전극 이용한 투명 전극을 개발하여 투광형 유기 태양전지를 개발하였다. 평균 투광도 36%, 효율 약 6.87%를 보고한 바 있다.

다. Oxide/Metal/Oxide 구조의 투명 전도성 소재

① 중국, Jilin University, Dr. Weiyou Chen

2009년 Weiyou Chen그룹에서는 상부 전극으로 MoO3/Ag/MoO3 구조의 투명 상부 전극을 이용한 투광형 유기 태양전지를 개발하였다. 빛이 투광되는 방향에 따라 효율 차이가 나타난다는 것을 보고하면서, ITO 전극으로 빛이 입사되고, 최외각의 MoO3의 두께가 20nm에서 80nm로 두꺼워지면서 효율 또한 약 2.72%에서 4.83%로 향상되었다.

② 독일, Technische Universitat Braunschweig, Dr. Wolfgang Kowalsky

2011년 Wolfgang Kowalsky 교수 연구팀에서는 상부 전극으로 ZTO/Ag/ZTO 구조의 투명 상부 전극을 이용한 투광형 유기 태양전지를 개발하였다. 통상적으로 OMO 구조가 p형 버퍼층을 포함한 구조인 반면 이 연구팀에서는 MoO3를 p형 버퍼층으로 사용하고 OMO 층을 단순히 전극층으로 사용하였다. 그러나 효율은 약 2%의 낮은 결과를 보였다.

⓷ 스페인, Universitat Politecnica de Catalunya, Dr. Jordi Martorell

2013년 스페인 카탈루냐 공과대학교의 Jordi Martorell 교수 연구팀에서는 상부 전극으로 얇은 박막층이 수 층으로 적층되어 굴절률을 선택적으로 제어하는, 즉, 광결정 구조를 적용하여 색 조절과 함께 투광도가 제어된 투광형 유기 태양전지를 개발하였다. 투광도 30%, 5.6% 효율을 보고한 바 있다.

라. 전도성 전극/PET 기판 제작 후 라미네이션(Lamination) 공정을 이용한 소재

앞서 기술한 투명 태양전지용 전극 소재는 유기물 층 상부에 직접 코팅을 하는 기술이다. 그러나 유기물이 외부의 자극에 취약하다는 단점 때문에 상대적으로 불투명 전극대비 효율이 낮은 편이다. 이러한 단점을 극복하고자 새로운 기판에 전도성을 부여하고 난후 유기물 층 상부에 접합(라미네이션)하는 방식의 코팅 기술이 개발되었다.

① 미국, UCLA, Dr. Yang Yang

2008년 미국 UCLA의 Yang Yang 교수 연구팀에서는 다음과 같이 ITO 전극에 PEDOT:PSS를 코팅한 후 광활성층이 코팅된 또 다른 전극층과 접합하여 투광형 태양전지를 제작하였으며 약 3% 효율을 보였다.

② 대만, National Taiwan University, Dr. Chun-Wei Chen

2011년 대만국립대학교의 Chun-Wei Chen 교수 연구팀에서는 광활성층 상부에 Graphene+GO(Graphene Oxide)층을 전사하여 투광형 태양전지를 제작하였으며 약 2.5% 효율을 보였다.

⓷ 독일, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Dr. Uli Wurfel

2014년 Uli Wurfel 그룹에서는 PET 기판에 Ag 그리드와 PEDOT:SS 전극을 복합화하여 광활성 층과 접합한 투광형 태양전지를 제작하였으며 약 2.5% 효율을 보였다.

⓸ 일본, Keio University, Dr. Seimei Shiratori

2013년 게이오대학교의 Seimei Shiratori 교수 연구팀에서는 PET 기판에 Ag 나노입자와 PEDOT:SS 전극을 복합화하여 광활성 층과 접합한 투광형 태양전지를 제작하였으며 약 2.41% 효율을 보였다. 이때 접합을 위하여 추가로 유기계 전도성 글루(glue layer)를 추가로 코팅하였다.
<그림 3-1-2-6>유기 태양전지 개발 방향
<표 3-1-2-2>국내 투광형 유기 태양전지 개발현황
<표 3-1-2-3>해외 투광형 유기 태양전지 개발현황
<그림 3-1-2-12>투광형 유기 태양전지 모식도, 및 상하부 전극 조합 결과
<그림 3-1-2-13>투광형 유기 태양전지 모식도
<그림 3-1-2-19>투광형 유기 태양전지 모식도 및 효율

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