유기태양전지 전격 해부하기 - 재료편

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

* 어떤 재료들이 쓰일까...? 

 

- 유기태양전지에 사용되는 재료와 그 기능을 알아보자.

 

앞서 배운 유기태양전지의 구조를 머릿속에 그린채로, 이 번 기사에서는 도너층과 억셉터층으로 사용되는 유기재료들에 대해 살펴보겠습니다. (a)는 donor로 주로 사용되는 유기재료이고 (b)는 acceptor로 사용되는 유기재료를 보여주고 있어요. 마치 아이스크림 두 맛을 고르는 것처럼 (a)에서 하나 (b)에서 하나를 골라 두 층을 붙이면, 이것이 곳 유기태양전지의 핵심인 Active layer가 됩니다.

 <유기 태양전지 재료  (출처 : 구글 이미지)>

 

 Active layer는 실리콘 태양전지의 PN접합 공핍층처럼, 유기태양전지에서 광 반응에 의해 엑시톤이 생성되고 이것이 분리되는 일이 일어나는 층을 말하는 것으로 한마디로, 도너층과 억셉터층 두 층을 붙인 것을 말하는 것이죠. 즉, 다시 정리하면 유기태양전지의 기본적인 층은 ITO층. active layer층, 금속전극층 이렇게 얘기해도 되는 것이죠.

 

 

<bi-layer 유기 태양전지 구조 (출처 : 구글 이미지)>

 

 

* Donor 층

donor 층으로 사용되는 유기 재료는 광반응이 뛰어난 재료로 햇빛을 받으면, 엑시톤을 퐝~ 쉽게 생산해 낼 수 있는 재료를 사용합니다. 만약 그렇지 않다면, 아무리 빛이 들어온다한들 (홀과 전자가 정전기적인 인력으로 묶인) 엑시톤이 생성되지 않겠죠? 현재 가장 많이 쓰이는 재료로는 P3HT 랍니다.

 

 * Acceptor 층

 

 

이와는 다르게 acceptor 층으로는 전자친화도가 높은 재료를 사용합니다. 도너층과 억셉터층이 딱 만나는 계면에서 쉽게 전자를 뜯어 올 수 있는 재료인 것이죠. 거기에 더해 뜯어낸 전자를 빠르게 금속전극으로 날라줄 수 있는 구조이어야 합니다. 현재 acceptor로 많이 쓰이는 재료로 PCBM이 있어요. 이것은 탄소가 축구공 모양처럼 생긴 플로렌에 잔 가지가 달린 구조로, 축구공 모양을 따라 전자를 고속도로 달리듯 빠르게 금속 전극으로 이동시켜 주는 구조입니다. 물론, 플로렌 이것만 달랑 써도 되지않겠냐 하겠지만, (곧 배울 용매편과 실험편(1)을 통해서 알게되겠지만,) 플로렌의 대칭적인 구조로 유기용매에 잘 녹지않기 때문에, 잔가지를 붙이게 됩니다. 이로써 유기용매에 쉽게 녹힐 수가 있죠.

 

* ITO 층

Active층인 도너와 억셉터층 외에도 다른 층에 대해서도 얘기해 봅시다.  ITO는 말그대로 투명전극으로, 투명하지만 전류를 흐를 수 있게 하는 전극으로 트랜지스터와 같은 수많은 전자부품 소자로 사용되는 것이죠. 투명하기 때문에 태양에서 오는 빛이 쉽게 통과하여 도너층에 빛이 닿을 수 있게 한다는 점이 ITO의 큰 매력이죠. 만약 전극이 불투명하다면, 빛이 들어온다고한들 도너층으로 빛이 닿을 수가 없겠죠. 그런 점에서 ITO가 투명해야 한다는 점은 큰 의미를 가지고 있습니다. 물론 ITO 재료인 인듐(In)의 가격이 비싼데다, 그 양이 한정되어 향후 치열한 자원 전쟁을 야기할 수 있는데요.. 그런 점에서 현재 이를 대체할 투명 전극을 찾아 많은 연구가 이루어지고 있습니다. 아무튼 유기태양전지에서 ITO층은 Anode 전극 역할을 하죠!.

 

* 금속전극 층

금속전극으로는 알루미늄(Al)이 주로 많이 사용되는데요, 이것은 억셉터층을 따라나온 전자들을 수집하여 바깥 도선으로 나가게끔 하는 역할을 하죠. 즉, 유기태양전지내에서 cathode 역할을 하죠. 이 부분은 유기인 active layer와 무기인 금속이 닿는 아예 재료 특성이 확 바뀌는 부분으로, 이 곳의 접촉 저항을 최대한 줄이는 것 또한 효율 향상의 관건 입니다. 접촉저항을 최소화 했을 때, 이것을 바로 오믹컨택(ohmic contact)이 되었다고 하죠. 가끔 은(Ag)도 사용되긴 하지만, Al보다 일함수가 커서 효율이 떨어지는 점, 그리고 비싸다는 점에서 Al보다 덜 쓰인답니다.

 

이 외에도...

현재는 기본적인 4층 이외에도 (도너층 재료인 P3HT와 억셉터층 재료 PCBM이 층을 사이에 두고) 더 높은 전자와 정공을 수송할 수 있는 버퍼층 재료에 대한 연구. 오믹 컨택을 위한 접촉 저항을 줄이는 방향으로도 유기 고분자 태양전지의 연구가 한창 진행되고 있습니다. 앞에 배운 유기태양전지 층에대한 이해를 바탕으로 추가된 층에 대한 자세한 이야기는 다음에 들려드릴께요~^^

 

 

S.F. JH