겹쳐 칠함으로써 유기박막 태양전지를 고성능화

- 빛을 비추면 단단해지는 재료를 사용하여 유효성 실증 -

나라첨단과학기술대학원대학 물질창성과학연구과 연구팀은 가볍고 유연성 등이 뛰어난 차세대 태양전지로서 연구되고 있는 유기박막 태양전지의 새로운 재료를 개발하고, 태양전지로서 동작하는 것을 실증하였다. 용매에 녹인 재료를 기판에 도포하여 박막을 제조하는 형태의 반도체로 빛에 비추면 상온에서 불용화하여 고형화되기 때문에 재료를 바꿔 겹쳐 칠하더라도 혼합되지 않고, 반도체의 적층구조가 가능하다. 이 방법으로 빛에서 전기로의 변환효율을 2배 이상 향상시켰다. 앞으로는 재료의 조합을 자유롭게 변화시켜 고효율 반도체를 설계하고 플라스틱 필름 위에 제조하는 것도 가능하게 될 것이다.

플랙시블한 기판 위에 대면적의 유기디바이스를 저가로 제작하는 방법의 개발이 유기디바이스 발전에 필요하며, 그 때문에 인쇄기술을 사용한 프린터블 일렉트로닉스(Printed Electronics) 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 프린터블한 재료는 고분자로 대표되나, 용매에 녹기 때문에 적층이 곤란하다. 그것에 비하여 전구체를 사용하는 방법은 통상적으로 용매에 녹기 어려운 저분자 결정성의 유기재료를 도포할 수 있다는 특징이 있다.

아센(acene)의 전구체로서 IBM 등이 열변환 전구체를 보고하였으며, 도포형 유기박막 트랜지스터에 응용하였다. 또한, 열을 가함으로써 변환하는 전구체를 이용한 도포형 유기박막 태양전지로서는 미쓰비시화학/도쿄대학에 의한 벤조프로피린(benzoporphyrin) 플러렌 유도체계가 보고되었다. 열변환 전구체는 전구체로부터 반도체로의 변환에 200℃ 전후의 높은 온도를 필요로 한다.

한편, 이번에 보고하는 광변환 전구체는 변환반응 자체는 실온/저온에서 진행하기 때문에 온화한 조건에서 성막이 가능하다. 지금까지 본 연구팀은 광변환 전구체법을 이용한 도포형 유기박막 트랜지스터와 변환전후 발광특성을 크게 변화시키는 잠재성 발광재료 등을 보고하였다. 이번 광변환에 의한 용매로의 용해도가 낮게 되는 특징을 이용하여 도포적층에 의한 p-i-n형 태양전지를 제작하였다.

광변환 전구체는 용매에 녹인 재료를 원심력 이용의 스핀코트법 등으로 박막한 후 빛을 조사하여 구조변환을 일으켜, 반도체 재료로 변환할 수 있다. 화합물의 구조변화에 따른 용해도를 낮추어 난용성으로 할 수 있으므로 스핀코트와 변환을 반복하여 온화한 조건에서 적층구조를 만들 수 있다. 그 결과 지금까지 용액 프로세스에서는 어려웠던 p-i-n구조의 실현에 성공하였다. p-i-n구조는 벌크 헤테로 구조에 비하여 캐리어 방출 등에 뛰어나 용액 프로세스에 의한 디바이스 제작 가능성을 넓힐 수 있을 것이다.

이번 논문에서는 p층과 I층의 p형 재료에 각각 적합한 재료를 이용하여 성능을 향상시키는 데 성공하였으며, 본 연구팀의 콘셉트도 바르다는 것을 실증하였다. 앞으로는 p층과 I층 각각에 적합한 재료를 개발함으로써 보다 한층 성능의 향상이 예상된다. 또한 도포형의 적층유기박막 태양전지로의 전개가 기대된다. 가열을 필요로 하지 않는 온화한 조건에서 유기반도체를 성막할 수 있으므로 얇고 유연한 플라스틱 필름 위에 고성능 유기태양전지를 직접 제작할 수 있을 것으로 기대된다. 그 외 광변환 전구체의 광반응을 이용한 응용으로서 도포형 유기박막 트랜지스터, 유기EL의 정공 운송제, 잠재성 발광재료 등으로의 전개를 생각할 수 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 겹쳐 칠함으로써 유기박막 태양전지를 고성능화