유기태양전지 전격 해부하기 - 구조편 (active layer)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

지난 번에 올린 유기태양전지에 대한 이해를 바탕으로 이번 기사는 유기태양전지 구조를 분석해보도록 하겠습니다. 특히, 고분자 유기태양전지를 곧 연재될 시리즈로 낱낱히 파헤쳐 보겠습니다.  

 

* 고분자 유기태양전지 ?

 

< 고분자 유기 태양전지 (출처 : 구글 이미지)>

 실리콘 태양전지와는 다르게 active layer를 고분자재료를 사용하여 만든 태양전지를 말한다. 전자를 줄수있는 도너층과 전자를 받는 억셉터층을 기반으로 구성된다. 가볍고, 대량생산, 대면적화, 저가화가 가능하고 플렉시블하다는 점을 무기로 실리콘 태양전지 시장을 틈틈히 노리고 있다. 유기태양전지의 한 분류로 DSSC가 전해액에 의해 창문처럼 건물 부착형 용도로 쓰일 한계에 비해, 고분자 유기태양전지는 이동가능한 용도로 사용될 수 있습니다. 옷이나 가방, 핸드폰 등 주로 쉽게 가지고 다닐 수 있을 portable한 용도로 말이죠. ^^

 

 

* 어떻게 생겼을까...? 

- 유기태양전지의 기본적인 구조를 알아보자.

 

고분자 유기태양전지 구조는 크게 투명전극인 ITO, Donor층, Acceptor층, 금속전극 이렇게 네 개의 가장 본적인 층으로 이루어져 있습니다. 투명전극인 ITO가 있는 쪽으로 햇빛이 들어와 donor 층을 빵 때리면, 여기된 엑시톤이 이리저리 돌아다니다가 계면인 acceptor층을 만났을 때에 홀과 전자로 분리되어 각자의 길을 찾아 흐르죠. 즉, 전자친화도가 높은 acceptor층을 흐르던 전자는 금속전극을 통해 밖으로 빠져나와 외부 도선을 통해 움직이고, 홀은 반대로 donor층 쪽으로 흐릅니다. 이렇게 흐르는 일련의 전자와 홀(정공)의 움직임은 전류를 발생시키는 원동력이 됩니다. 

 

<좌: 유기 태양전지 구조(bi-layer), 우: active laer (출처 : 구글 이미지)>

 

 

 

* 특명 ; 죽어가는 엑시톤을 살려라

- 도너, 억셉터 재료를 넣고 미친듯 흔들다.

 

이젠 기본적인 유기태양전지 구조를 머릿속에 그려보고, 전자의 흐름을 상상할 수 있겠죠? 하지만, 이렇게 만들어진 도너와 억셉터 이중층 유기태양전지는 효율이 1% 안되는 부끄러운 한계를 나타냅니다. 햇빛을 받아 도너층에서 생성된 엑시톤의 이동거리가 10nm 이 안된다는 점. 이것이 바로 효율을 저하시켰던 큰 요인인 것을 알게되죠. 즉, 쿨롱힘으로 약하게 결합되어 전자와 홀이, 10nm 도 못가서 도너층에서 발병나는 것이죠. 10nm 안에 억셉터님을 만나지 못하면, 재결합(recombination)하여 장멸히 전사해버리는데, 이 때 쓰잘떼기없는 열만 내면서 소멸해버리곤 말죠. 그런 점에서 엑시톤이 죽기 전에 홀과 전자를 서로 떼어내는 것, 이것이 곧 고분자 유기태양전지의 효율을 높이는 관전 포인트였습니다. 한마디로, 엑시톤이 손을 뻗으면 닿을 수 있는 거리에 억셉터층이 가까이 있어야하고, 그래서 엑시톤이 재결합하기 전에 전자와 정공으로의 분리되도록 구조를 설계해야 하는 것었이죠. 여기서 잠깐,,,!!

 

여러분들이라면, 이 문제를 어떻게 해결했으렵니까...?

 

짧은 시간동안, 짧은 거리를 이동하는 엑시톤으로부터, 전자와 정공을 헤어지게 만들 해법. 우선 active layer의 도너와 억셉터 층 간격을 10nm 급으로 얇게 제작하여 바로 엑시톤이 분리되게 하면 되지않을까요? 네, 맞습니다. 좋은 해답이 될 수 있지요. 즉, 두 박막 자체를 얇게 제작하는 것으로 엑시톤이 재결합하기전에 전자와 홀로 분리를 시킬 수 있는 것이죠. 하지만, 문제는 그렇게 active layer가 얇다면, 아예 햇빛자체를 흡수하지 못하고 빛이 후루룩~ 통과해버리는데 있었습니다. 얇게해서 엑시톤의 분리를 쉽게 할 수 있는 문제는 해결했지만, 가장 근본적인 도너층에서의 빛 흡수에 의한 엑시톤 생성자체가 안되는 것이죠. 유기박막 태양전지가 아무리 얇다한든 50nm 급 이하의 두께에서는 투명한 유리처럼 active layer 자체가 제 기능을 할 수 없었던 것이죠. 그럼, 어떻게 이 문제를 해결했을까요...?

즉, 어느 정도 두께도 있으면서 엑시톤을 생성하는 방법. 그것에 대한 해답은 바로 active layer 두 층을 섞어버리는 것입니다. 즉, donor층과 acceptor층 두 층 재료를 blend 시켜, 도너층 바로 옆에 억셉터층이 위치할 수 있게 했던 것이죠. 햇빛으로 도너층에서 생성된 엑시톤이 바로 옆에 있는 억셉터층과 푱~ 부딪혀 전자와 정공으로 분리될 수 있도록 함으로써, 효율향상을 도모할 수 있었던 것이죠! 

 

<좌: 유기 태양전지 구조(bulk-heterojunction-layer), 우: blend 된 active laer (출처 : 구글 이미지)>

 

한마디로, donor층과 acceptor층의 유기 재료를 미친듯 흔들어 섞음으로써 문제를 해결할 수 있었는데, 이것은 도너와 억셉터 접촉 계면 표면 자체를 크게하였고, 이로써 (10nm 이동거리안에서) 엑시톤이 억셉터층 만날 수 있게하여 전자와 정공으로 분리 시킬 수 있는 확률을 높였죠. 이것은 앞서 설명한 이층으로 된 이중층 구조(bi-layer 구조)와 다르게 bulk-heterojunction 구조라고 부르죠.

그럼, 도너와 억셉터 유기 재료를 어떻게 섞을 수 있을까요? 네, 그 방법에 대해서는 곧 연재될 '유기태양전지 전격 해부하기 - 용매편'에서 다루니, 조금 기다려주세요. 우선 그 전에, 우리는 유기 태양전지 active layer로 쓰이는 재료에 대해서 공부할 예정이에요. 다음 장 '유기태양전지 전격 해부하기 - 재료편'에서 다시 만나요~^^.

 

** 유기태양전지 전격 해부하기는 총 6편의 기사에 걸쳐 연재될 예정입니다. **

 

 

S.F. JH