* 어떻게 active layer를 만드나...?
- 유기용매에 유기물질을 녹임으로써 가능하다.
최근 많이 쓰이는 Active layer 조합으로 P3HT와 PCBM이 있습니다. 현 최적의 효율을 내는 조합으로 알려져 있는데, 어떻게 두 유기 재료로 태양전지를 만들까요?
바로, 앞서 살펴본 것처럼 도너와 억셉터로 쓰일 수 있는 재료 하나씩 골라 붙여서 나란히 두개의 층으로 만들면 됩니다. 각 유기 재료마다 자기 자신이 녹을 수 있는 용매가 다른데, 그렇게 녹일 수 있는 용매에 유기 재료를 녹여서 두 층으로 만들면 되죠.(끼리끼리 녹인다는 말있죠!). 즉, 한 층을 만든 후, 그 위에 다른 층을 만듦으로써 bi-layer구조의 active layer층을 만들 수 있죠. 그리고 필요없는 용매는 구워서 날려버리면 되죠. 그럼 필름형태의 도너 억셉터 이중층의 태양전지를 만들수 있죠. 즉, 도너로 쓰이는 재료와 억셉터 재료를 각각을 녹일 수 있는 용매(solvent)를 잉크처럼 사용할 수 있다는 것이겠죠. 이로써 유기태양전지는 프린팅으로 제작이 가능할 수 있게 된 거죠.
< donor를 녹이는 solvent1과 acceptor를 녹이는 solvent2 (출처 : 구글 이미지) >
이제, 각각의 유기 용매에 녹인 도너와 억셉터 active layer 두 층을 만들 수 있겠죠..?
물론 쉽게 제작할 수 있자만, 우리는 이내 곧 효율의 한계에 부딪히게 됩니다. 바로 구조편에서 살펴본 엑시톤의 이동거리 한계때문이죠. 그럼 이것을 어떻게 해결할까요? 바로 도너와 억셉터 재료를 블랜드화함으로써 해결할 수 있죠? 그럼 이 둘을 어떻게 블랜드 시킬 수 있을까요? 넹, 바로 서로를 녹인 용매를 섞어 흔들어주어 만들 수 있는 것이죠. 즉, 이 것을 bulk-heterojunction 구조라고 불러요. 그리고 오븐에 구워 용매를 날려보내 하나의 필름같은 얇은 막을 만들 수 있죠.
구체적인 예로, 가장 높은 효율을 내는 도너의 P3HT와 억셉터의 PCBM을 가지고 이야기 해봅시다. P3HT를 녹일 수있는 용매는 무엇이 있나요? 네, 바로 클로로벤젠입니다. 그럼, PCBM을 녹일 수 있는 유기 용매는 무엇일까요? 어랏, 이것도 클로로벤젠입니다. 우연하게도, 두 유기 재료를 녹일 수 있는 유기 용매가 클로로벤젠으로 같습니다!! 즉, 유기용매 하나로 도너, 억셉터 두 유기재료를 한꺼번에 섞을 수 있고 또, 오븐으로 동시에 날려버릴 수도 있습니다. 그런 점에서 다른 유기 재료들보다 더 골고루 섞일 수 있겠죠. 이로써, 우리가 원하는 P3HT와 PCBM의 bulk-heterojunction 구조를 만들 수 있죠.
물론, 다른 유기 재료들은 서로 다른 유기 용매에 녹여서 쓴다는 점에서 두 용매를 날려보낼 온도가 두 곳에서 나타날 것입니다. 하지만, PCBM과 P3HT는 클로로벤젠만 날려보낼 수 있는 온도 하나만 집중하면 되죠. (거의 120도 정도에서 약 10분간 열처리를 해주면, 클로로벤젠은 싹~ 날라가죠.!^^)
이 외에도, 도너 유기재료, 억셉터 유기재료 역시 다양한 비율로 섞어 사용할 수 있습니다. 즉, 도너재료 : 억셉터재료 = X : Y 이렇게 비율을 조절할 수 있는데요, 그만큼 각각 다른 효율이 나오겠죠? 여러 비율로 섞어 실험해보며, 어느 비율에서 최적의 효율이 나오는지 알아 유기태양전지를 제작하면 됩니다.
이 번 기사에서 가장 중점적인 것은, 유기태양전지가 잉크처럼 프린팅화하여 대량생산할 수 있다는 점인데요, 그 기본에는 도너와 억셉터 재료를 녹일 수 있는 용매가 있다는 점,,!! 그리고, 이 용매는 태양전지 작동에 필요없는 부분이므로 열처리로 날려보내면 된다는 점!! 잊지 마세요~!!
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