효율적인 고분자 태양전지를 위한 나노임프린트 리소그래피

최근 고분자 태양전지는 유연성, 반투명성 및 비용-효과적인 연속 인쇄공정을 통해 제조할 수 있다는 특징 때문에 상당한 관심을 끌어 왔다. 그러나 고분자 태양전지의 상업화를 방해하는 한 가지는, 기존의 무기 태양전지에 비해 상대적으로 낮은 전력전환효율(power conversion efficiency)이다.

고분자 태양전지의 성능을 낮추는 원인 중 하나는, ∼10 nm에 불과한 짧은 엑시톤 확산거리(exciton diffusion length) 내에서 도너-억셉터의 상 분리 및 전하 분리와 이송에 중요한 높은 전하 이동성(charge mobility), 특히 홀 이동성을 동시에 달성하기 어렵다는 점이다. 지금까지

가장 널리 이용되고 있는 벌크 이종접합 구조에서 이런 형태(morphology)를 달성하는 것은 불가능하였으며, 무분별하게 분포된 상들이 상당한 전하 재조합(charge recombination)을 유발하기 때문이다.

텍사스대학(UT Dallas) 물리학 교수인 Anvar Zakhidov 및 전기공학과 부교수인 Walter Hu가 주도한 연구에서, 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography)가 이런 문제점들을 동시에 해결해 줄 수 있는 효과적인 방법이라고 소개하고 있다.

ACS Applied Materials & Interfaces ("Efficient Low Bandgap Polymer Solar Cell with Ordered Heterojunction Defined by Nanoimprint Lithography")에 게재한 논문을 통해, 연구팀은 나노임프린트 리소그래피를 활용해 제조한 low bandgap 고분자 태양전지의 효율이 5.5% 정도라고 소개하였다. Low bandgap 고분자가 이런 종류의 태양전지에서 주류가 될 것임을 고려할 때, 이 기술은 더 많은 곳에서 활용될 수 있을 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

이전의 연구("How nanostructure geometry affects polymer photovoltaic device efficiency")에서, 연구팀은 나노임프린트된 P3HT 태양전지에 집중하였다. 나노구조를 신중하게 최적화한 후에 달성한 효율은 3~4%로, 이 고분자로 다른 연구팀이 달성한 4% 이상의 효율만큼 높지 않았었다.

새로운 연구에서는 low bandgap 고분자 태양전지로까지 범위를 확대하였으며 5.5%의 효율을 달성하였다. 이는 문헌에 보고된 이런 종류의 고분자 중 최고의 효율 중 하나이다. 즉, 나노임프린트 제조법이 low bandgap 고분자 태양전지에 적합한 방법임을 시사하는 것이다.

연구팀은 잘 정렬된 이종접합(heterojunction)을 가진 효율적인 low bandgap 고분자 태양전지를 제조하기 위해 나노임프린트 리소그래피의 타당성을 시연해 보였다. 처음으로 이 기술을 사용하여 고품질의 low bandgap 공액고분자(PCPDTBT) 나노격자(nanograting)를 제조하였다. 나노임프린트 리소그래피는 PCPDTBT 체인의 상호작용을 증가시켜 더 구조적으로 정렬되도록 한다. 최고의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 PCPDTBT 나노구조로 만들어진 태양전지는, 5.5%의 높은 전력전환효율을 보여주었다. 이것은 가장 효율적인 나노임프린트된 고분자 태양전지일 뿐만 아니라, 동일한 재료를 이용해 가장 높은 효율을 나타낸 태양전지로 보고되었다.

나노임프린트 리소그래피는 고분자 태양전지에서 나노형태(nanomorphology)를 정교하게 조절하기 위한 효과적인 제조기술이다. 체인의 배열 조절과 복연속성(bicontinuous) 및 맞물린 이종접합 형태는, 공액고분자를 임프린트하여 제조할 수 있다. 나노임프린티는 체인의 정렬을 유도하고 이 고분자 나노구조 내로 풀러렌(fullerene)이 스며들도록 한다.

그러나 지금까지의 대부분의 연구는 나노임프린트된 P3HT/fullerene 태양전지에 집중되어 있었다. 이 재료의 조합은 P3HT의 흡수 및 태양 스펙트럼의 불일치로 인해 그리 이상적이지 못하다. 태양 스펙트럼에서 최대 광속(photon flux)은 1.6~1.8 eV에서 나타나지만, P3HT는 상대적으로 큰 밴드갭인 1.9~2.0 eV에서 나타난다. 고분자-풀러렌 태양전지에 이상적인 밴드갭은 1.3~1.5 eV 정도로 여겨지고 있다고 Yang은 설명하였다.

최근 많은 low bandgap 고분자들이 합성되어 최고 효율을 경신하고 있다. 그러나 이런 고분자들의 도너/억셉터 상 분리는, P3HT/fullerene 태양전지에서 보통 사용하고 있는 열 혹은 용매 증기 어닐링(solvent vapor annealing)을 통해 달성될 수 없다.

비록 1,8-octanedithiol과 같은 첨가물이 용액에 첨가되어 도너 및 억셉터 도메인을 분리하는데 도움이 되도록 하지만, 이런 분리는 정교하게 조절할 수 없다. 따라서 나노임프린트 리소그래피는 정렬된 활성층 형태가 형성되도록 하는 효과적인 해법을 제공해 주고 있다. 그러나 지금까지 나노임프린트 리소그래피가 고분자 태양전지 분야의 다양한 재료에 적용할 수 있다고 보고된 연구결과는 없었다.

이에 텍사스대학 연구팀은 나노임프린티 리소그래피를 활용해 low bandgap(1.4eV) 태양전지 고분자 PCPDTBT를 패터닝하였다. 이 기술을 이용해 고품질 나노격자를 제조하였으며, 나노격자 기하학적 구조를 최적화한 후에, 연구팀은 태양전지의 효율 5.5%를 달성할 수 있었다.

게다가 본 연구를 통해 나노임플린트 리소그래피가 가장 널리 연구된 고분자인 P3HT로 만들어진 태양전지에만 국한된 것이 아니라, 고분자 태양전지 제조에 이용되는 다양한 물질에 활용될 수 있음을 보여주고 있다. 상당한 노력에도 불구하고, 나노임프린트된 P3HT 태양전지의 최고 전력전환효율은 3~4% 범위에 머무르고 있다. 이 값은 동일한 고분자로 벌크 이종접합 구조로 사용할 때의 최대값인 4∼5% 보다 낮은 수치이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 효율적인 고분자 태양전지를 위한 나노임프린트 리소그래피