"무기 vs 유기" 태양전지의 원리

무기태양전지? 유기태양전지? 

유기? 무기? 알듯 말듯한 거 같은데 정확히 무슨 차이인지 모르겠다. 어려서부터 기술가정, 생물책을 통해 유기물, 무기물과 같은 단어는 많이 들어봐서 아는 것 같지만 정확히 정의하기란 쉽지가 않다. 실제로 유기물을 기준을 어디에 두는 가에 따라 그 정의를 조금씩 달리하기 때문인지도 모르겠지만, 요즘은 탄소, 수소, 산소와 같은 생명체의 구성하는 기본 원소를 포함하고 있으면 유기물로 보고 그외 나머지 것을 무기물로 보면된다. 예를 들어, 숯은 무기물일까? 유기물일까? 정답은 유기물이다. 비록 딱딱해보이는 검댕이 숯이지만, 이전에는 나무였기때문이다. 또 생각해보면 숯은 탄소로 이루어져 있기 때문에 유기물인게 더욱 더 확실한 것이다. 이러한 대략의 구분의 잣대로 유기태양전지와 무기태양전지에 대해서 살펴보자.  

무기태양전지는 우리가 흔히 보는 실리콘같은 반도체 재료로 만든 것으로, 그 원료가 모래와 같은 돌덩어리에서 오는 것이기 때문에 '무기'란 수식어를 붙일 수 있다. 이에 반해 유기태양전지는 유기물을 재료로 만든 것으 로 대부분 탄소와 같은 유기원소를 포함하고 있어 유기태양전지라 불린다. 막연하다면 '몰캉몰캉'한 느낌의 필름을 떠올려보면 유기물 태양전지를 쉽게 그릴 수 있을 것이다. 유기 태양전지는 효율이 3~5%로 무기 태양전지에 비하면 턱없이 적은 편이지만, 대면적화, 공정상의 편리함, 대량생산, 구부러질 수 있는 소자, 저렴함 등을 강점으로 최근 10년 동안 활발한 연구가 진행중이다. 유기물을 사용한 태양전지로 염료감응형 태양전지와 그외 고분자 태양전지로 분류되지만 여기서는 고분자 태양전지의 원리에 대해서 살펴볼 것이다.    

'태양전지 원리가 뭐에요?' 

일반 사람들에게 '태양전지 원리가 뭐에요?'라고 물어보면, 대부분은
'PN접합에 태양빛을 비추면 전자와 정공이 생성되고 이것이 분리되어 흐르면서 전류가 생긴다'고 대답을 많이한다. 이는 현재 태양전지 시장의 80%이상을 무기 태양전지가 차지하고 있기 때문일지도 모른다. 그래서인지 유기 태양전지 원리에 대해서 자세히 아는 사람은 전문가를 제외하고는 드물다. 이 점에 착안하여 유기 태양전지 원리를 무기 태양전지원리와 비교하면서 쉽게 설명하고자 한다.

< 무기 태양전지 > 

기존의 무기 태양전지는 3족의 불순물을 주입하여 P형 반도체를 만들고, 5족의 불순물을 주입하여 N형 반도체를 만든다. 이것은 불순물을 주입하게 됨으로써 전자와 정공이 더 많이 생성하기 위함이다.  

P형 반도체와 N형 반도체를 접합하면, 처음에는 N형의 풍부한 전자는 전자가 부족한 P형으로, P형의 풍부한 정공은 정공이 부족한 N형으로 이동을 한다. 이 때 P형을 떠난정공은 P형 접합부에 (-)이온을 남기고, N형을 떠난 전자는 N형 접합부에 (+)이온을 남긴채 말이다. (농도차 확산에 의해서 이동함.)

빠밤~!!  
 그러다 어느 순간 더 이상 흐를 수 없게 된다. 이것은 PN접합부분에서 붙박이로 남은 이온들이 전위차를 형성하여 에너지장벽을 만들기 때문이다. 즉, 각각의 접합 계면에는 P형은 (-)이온, N형은 (+)이온이 붙박이처럼 분포한다. 이 영역을 공핍층이라고 하는데, 이 곳에서는 무슨일이 일어날까??  
바로, N형의 (+)에서 P형의 (-)로의 방향으로 내부 전위차가 형성되어 더 이상 전자와 정공이 마음데로 넘나들 수 없게 된다. 즉 햇빛을 비추기 전 이미 내부적으로 전기적인 퍼텐셜(built-in potential)이 생성된 것이다.

(어렵지만,, 여기서 이동하는 전자 정공쌍은,,, --;
이 것은 불순물에 의해 생긴 정공과 전자가 이동하여 형성한 전기 퍼텐셜이다. 이들을 다수캐리어라 부른다.)

*공핍층 ; 더 이상 전자와 정공이 흐를 수 없게 된다. 이 곳에는 붙박이 이온들이 만든 전기장이 형성되어 있다.

이때 태양빛이 비추어지게 되면, PN접합부에서 생성된 전자 정공쌍이 내부의 인계된 전위 차(전기장)에 의해 즉각 분리된다. 생각해 보면 쉽다. 전기장 방향이 N형의 (+)에서 P형의 (-)으로 형성되어 있다면, 햇빛에 의해 생긴 전자 정공쌍은, 인계된 전기장 반대 방향으로 이동할 것이다. 이로써 전기 퍼텐셜에 의해 더 이상 이동할 수 없었던 전자와 정공이었지만, 에너지 갭을 뛰어넘는 태양에너지가 입사됨으로써 공핍층을 흐를 수 있게 되는 것이다. 결국 전자는 N형으로 이동, 정공은 P형으로 이동한다. 이 때, N형에 가득있는 전자가 외부에 연결된 회로를 흘러 P형으로 이동하여 정공의 자리를 메꾸는데, 이 과정에서 전자의 이동에 의해 회로에 전류가 흐른다. 

(어렵지만,, 여기서 이동하는 전자 정공쌍은,,, --;
불순물에 의한 부분도 있지만, Si 최외각 전자가 튀어올라 생기는 전자정공쌍인 소수 캐리어가 주로 이동한다.)

 

< 유기 태양전지 >

유기 태양전지는 불순물을 도입한 개념인 PN접합이 아닌, 전자주게와 전자받게로 그 원리를 설명한다. 재료를 반도체계가 아닌 유기물을 사용한다는 점에 포커스를 맞춰야 한다. 물론 무기 태양전지의 원리와는 다르지만 개념간 대응을 통해 유기 태양전지를 설명해보겠다. 즉, 무기 태양전지의 P형 반도체, N형 반도체의 역할을, 유기 태양전지에서는 전자주게, 전자받게 재료로 대응시켜 그 원리를 쉽게 설명하고자 한다(다시 한 번 말하지만, 유기와 무기 태양전지의 그 근본원리가 완전 다르다).

우선, 전자주게와 전자받게를 접합시켜 놓는 다는 점, 이것 하나는 PN접합과 비슷하다. 하지만 PN접합을 시켜놓았을 때(빛이 비추기 이전에) 전자와 정공이 이동하여 전기장 및 공핍층을 형성하는 이야기와는 판이하게, 전자받게와 전자주게는 아무런 일이 일어나지 않는다. 빛이 비추어졌을 때에서야만 비로소 유기 고분자 태양전지에서의 이야기가 시작되는 것이다! 
 

빛을 비추어 주었을 때, 전자주게 물질에서 전자와 정공쌍이 생성된다(전자받게 물질은 묻지도, 따지지도 않는다.!! 오직 전자주게 물질에서만 전자 정공쌍이 생성된것에만 포커스를 맞춘다!!).
특별히 유기계에서는 전자-정공쌍을 엑시톤(exciton)이라고 부른다. 전자주게에서 생성된 엑시톤은 전자주게 물질내부를 사방팔방 돌아다니다가 전자받게 물질을 딱 맞부딪친 순간 (마치 연인처럼 서로를 꼭 끌어안고 있었던) 전자와 정공쌍 분리가 일어나게 된다. 전자받게 물질은 전자친화도가 높기 때문에, 전자를 마구 끌어당기려고 한다. 한마디로, 둘 사이를 갈라놓는 역할을 한다.
즉, 전자주게에서 생성된 엑시톤이 이리저리 돌아다니다 전자받게 물질과 딱 마주치게 되면, 전자를 뺏앗기게 된다. 이처럼 전자주게와 전자받게의 계면에서 전자와 정공이 분리되는 현상이 일어나고 분리된 전자와 정공이 움직이면서 전류가 흐르게 된다. 
이때, 계면에서 분리된 정공은 전자주게 물질 내부를 흐르다가 양극 전극을 통해 빠져나가고, 전자는 전자받게 물질 내부를 흐르다 음극 전극을 통해 빠져나가게 된다. 

햇빛을 받으면, 전자와 정공쌍을 잘 형성하는 재료를 전자주게로 사용하고, 생성된 전자를 잘 뺏어오는 즉, 전자 친화도가 높은 것을 전자받게의 물질로 사용한다. 전자주게 물질과 전자받게 물질을 접합시켜 놓고 빛을 비추었을 때 전류가 발생한다는 점에서는 PN접합과 원리와 비슷해 보이지만, '전자 정공쌍'이 생성되어 분리되는 과정을 집중해서 보면 "무기와 유기 태양전지'의 근본 작동 메커니즘이 다름을 확인 할 수 있을 것이다. 

(어렵지만,, ,,, --;
햇빛을 받아 생긴 엑시톤은 쿨롱의 힘에 의해 잠시 묶여있는 상태에욤ㅎ (+)인 정공과 (-)인 전자가 연인처럼 서로를 끌어안고 있죠.
하지만, 아직 전자와 정공이 재결합을 하지 않은 상태라는 점!!
그치만, 엑시톤의 이동 거리가 10nm로 짧기 때문에 후다닥 이들이 헤어지지 않으면, 우리가 원하는 전류가 흐르지 못하죠. 만약 전자와 정공의 분리가 일어나지 않으면, 이들은 곧 재결합(recombination)하고 '푱' 사라져 버리죠.. 열과 같이 비효율 에너지를 내면서요.
그렇기 때문에, 유기태양전지에서는 전자주게와 전자받게 계면을 짧게하는게 관건입니다. 위에서 설명한 전자주게와 전자받게 두 층보다는,, 두 층 재료를 섞어 엑시톤님이 재결합하기전에 둘 사이를 갈라놓쵸. 흠,, 어렵다면 자세한 내용은 다음 기회에 다룰께염. ㅎ) 

이젠 무기 태양전지와 유기 태양전지의 차이를 아시겠나요?

서로 다른 특성을 가진 두 물질을 접촉시킨다는 점. 그리고 전자와 정공쌍이 분리되어 흐를 때 전류가 흐른다는 점! 만 본다면, 유기와 무기의 원리가 큰 차이가 없어보입니다. 하지만 그 접합물질로 사용하는 재료가 무기와 유기가 아예 다르기 때문에 전자-정공쌍의 거동이 달라지게 되고, 그에 따른 원리 역시 차이를 보이게 되는 것이죠.!!  즉, 전자와 정공이 생성될 때 어떻게 생성되냐, 그리고 이것이 어떻게 분리되냐에 비추어 보면 그 원리가 다른 특성을 찾을 수 있을 께예욤.

무기 태양전지는 햇빛에 의해 생성된 전자정공쌍이 인계된 전기장에 의해 순식간에 분리되어 흐르는 반면에, 유기 태양전지는 햇빛에 의해 전자주게에서 생성된 엑시톤이 돌아다니다가(즉, 바로 분리되는 개념이 아니라 시간이 걸림) 전자받게 계면과 만났을 때, 전자와 정공쌍이 분리되어 전류가 흐르는 개념인 것이죠. !! 

* 무기 태양전지 (P형 반도체-N형 반도체)
; 접합부 공핍층에서 생성된 전자정공쌍 
; 생성된 전자정공쌍이 인계된 전기장에 의해 바로 분리됨.

* 유기 태양전지 (전자주게-전자받게)
; 전자주게 물질에서 생성된 전자정공쌍 
; 생성된 전자정공쌍이 약간의 시간을 두고 분리됨(전자받게 계면을 만났을 때에 서로 분리됨).

 물론 이 때, 무기 태양전지의 P형 반도체, N형 반도체가 도핑한 원소의 종류에 따라 다양한 조합을 만들 수 있듯이, 유기 태양전지도, 전자주게 물질과 전자받게 물질의 재료를 달리 함으로써 다양한 조합과 효율을 내는 태양전지를 만들 수 있습니다.

다음에는, 유기 태양전지에 대해서 자세한 이야기를 들려드릴께요~ ^^

S.F. JJ