태양전지의 효율·수명 높이는 계면제어 새 물질 개발
태양전지의 효율·수명 높이는 계면제어 새 물질 개발
  • 박현진 기자
  • 승인 2016.06.15 07:39
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OLED 조명, 트랜지스터, 디스플레이 등 다양한 유기 전자 소자들의 특성 향상과 소자의 수명향상을 위해 응용
태양전지패널(사진:자체db)

한국연구재단(이사장 정민근)은 진성호 교수(부산대)․노용영 교수(동국대) 등 공동연구팀이 태양전지의 광전환 효율과 수명을 높일 수 있는 새로운 계면제어 물질을 개발하였다고 밝혔다.

새로운 계면 조절 물질은 페로브스카이트, 유기태양전지 및 트랜지스터 등 다양한 유기전자 소자의 수명 및 효율을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대되며, 계면 제어 물질은 기존 공정 및 생산단가를 혁신적으로 낮출 수 있으며 향상된 효율 및 내구성을 지니는 차세대 유기 전자 소자를 생산할 수 있어 상용화에 한 발짝 다가 설 수 있다.

차세대 태양전지, 유기발광다이오드, 조명과 디스플레이용 저전력, 플렉서블 유기 기반 광전소자 개발의 필요성이 급증하는 가운데 개발된 계면제어물질을 이용하여 손쉬운 공정으로 대면적화 및 롤투롤 공정이 가능할 것이다.

개발된 새로운 계면조절 물질 및 전기적 특성비교 이 연구에서 합성되어진 계면제어 물질 구조는 그림 1(a)이다. 전하 수송 특성을 측정하기 위해 전자특성(Electron-only) 소자 구조 (그림 1(b))를 만든 결과, 산화아연(ZnO)를 사용한 소자보다 산화아연(ZnO)와 계면제어물질을 처리한 결과 약 2배 우수한 성능을 보였다 (그림 1(C)).

페로브스카이트 및 유기 태양전지는 태양빛을 받아 자유전자(-)와 홀(+)을 생성하고 이들이 각각 전자전달체 와 홀 전도체 를 통해 전극으로 이동하여 전기를 생산하는 소자이다. 특히 페로브스카이트 태양전지는 내부에서 발생하는 전자와 홀의 이동속도 차이가 크기 때문에 히스테리시스가 발생하여 효율이 급격히 감소한다.

(용어해설: 전자전달체 -페로브스카이트 및 유기 태양전지에서 (-)전하를 수송하는 물질. 홀 전도체 -페로브스카이트 및 유기 태양전지에서 (+)전하를 수송하는 물질, 히스테리시스 -태양전지 효율을 정방향 (+1V에서–1V로)과 역방향(-1V에서 +1V) 으로 측정 시, 효율의 차이가 있는 경우 히스테리시스가 있다고 함)

연구팀은 이 문제점을 해결하기 위해 저온공정(<150℃)이 가능한 산화아연(ZnO)전자 전달체 위에 트리아진 분자와 포스핀 옥사이드를 결합한 새로운 계면조절제어물질을 대기 중에서 박막코팅을 실시하였다.

그 결과, 산화아연(ZnO)의 전자이동도가 약 2배 증가하였다. 특히 페로브스카이트 태양전지에서 효율 감소의 원인인 히스테리시스가 없고, 광활성층과 산화아연층 사이에 계면제어 물질을 도입하여 수분과 산소를 차단할 수 있어 소자의 수명이 대략 1.5배 이상 우수하게 나타났다.

(용어해설 : 트리아진 분자-고리 안에 세 개의 질소원자를 가진 불포화 6원자 복소고리 화합물. 포스핀옥사이드- 청색인광호스트 및 전자를 당겨주는 물질)

이 연구에서 개발된 계면제어물질을 연구팀은 PO-TAZ(피오타즈)라고 명명했다. 피오타즈는 트리아진 분자와 포스핀 옥사이드 분자 간 결합을 잘하기 위해 매개체인 다이플로로 벤젠 그룹을 도입하였다. 특히 계면제어물질은 간단한 공정을 통해서 고품질의 필름을 형성할 수 있으며, 전자이동도를 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다고 연구팀은 밝혔다.

계면 제어물질을 사용하여 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과, 광전환 효율이 13.6%에서 16.23%로 향상되었으며, 히스테리시스가 존재하지 않는 전류-전압 곡선을 얻었다. 또한 소자의 수명도 40일이 지나더라도 초기 효율 대비 85% 이상을 보여주었다. 또한 유기태양전지에서도 광전환 효율이 8.55%에서 10.04%로 향상되었다.

진성호 교수는 “이번 연구는 비교적 저렴하면서도 간단한 공정으로 히스테리시스가 없는 장수명 페로브스카이트 및 유기 태양전지를 개발한 것이다. 향후 차세대 태양전지 및 유기발광다이오드, 유기박막트랜지스터 등 다양한 유기전자 소자들의 특성 향상 및 수명 향상에 기여 할 수 있을 것” 이라고 연구의 의의를 설명했다.

한편 이 연구를 통해서 증명된 계면조절 물질은 저가 및 용이한 합성공정과 우수한 전하 수송특성 및 소자의 내구성을 향상 시킬 수 있다. 뿐만 아니라 OLED 조명, 트랜지스터, 디스플레이 등 다양한 유기 전자 소자들의 특성 향상과 소자의 수명향상을 위해 응용 될 수 있을 것으로 기대된다. 

 

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