유기-무기 하이브리드 삼중접합 나노구조를 통한 유기태양전지 효율향상에 관한 연구

Abstract

태양전지는 크게 다결정 실리콘(silicon, Si)을 사용한 1세대 태양전지와 비정질 실리콘 및 1세대 태양전지는 단결정 및 CdSe, CuInSe2를 사용한 2세대 태양전지와 유기물질을 사용한 3세대 태양전지로 구분할 수 있다. 3세대 태양전지는 염료감응태양전지, 양자점 태양전지 및 유기태양전지 등으로 나눌 수 있으며, 그 중에서 유기 태양전지는 1세대 태양전지에 비하여 생산단가를 기적으로 줄일 수 있는 기술로 1. 제조공정이 간편하고 2. 가벼우며, 3. 구부릴 수 있고 4. 디자인이 가능한 장점이 있으나 광전변환효율과 안정성이 비교적 낮은 점이 단점으로 지적되고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 전도성과 안정성이 우수한 무기반도체 재료를 도입한 하이브리드 유기태양전지에 관한 연구가 진행되어 왔다. 하지만 유기물과 무기물의 경계면에서 여러 문제점이 나타나 유기태양전지의 문제점 극복에 한계점이 있어왔다. 이에 본 연구에서는 기존 벌크-헤테로 접합 구조의 태양전지에 새로운 무기물을 도입함으로써 세 가지 물질이 삼중접합 벌크-헤테로 접합 구조(ternary bulk heterojunction)를 가지게 하는 유기태양전지를 제작하였으며, 이를 통해 광전변환효율을 향상시키는 연구를 진행하였다. 먼저 최근 각광받고 있는 흡광영역이 넓고 exciton diffusion length와 electron and hole lifetime이 긴 페로브스카이트(perovskite)를 도입해 삼중접합 벌크-헤테로 접합구조의 유기태양전지를 제작했으며, 전하와 정공이 이동할 수 있는 활로를 추가적으로 열어준 결과 기존대비 약 28% 향상된 광전변환효율을 확인할 수 있었다. 다음으로 도핑되지 않은 실리콘 nanocrystal과 p-type으로 도핑된 실리콘 nanocrystal을 도입해 삼중접합 구조의 유기태양전지를 제작하였으며, 이때 도입한 실리콘 nanocrystal이 hole extraction material로 작용함으로서 결정성 고분자의 정공이동도(hole mobility, μh)를 향상시켜 기존대비 ~11% 와 ~23% 향상된 광전변환효율을 확인할 수 있었다.