A Study on Device Architectures for Highly Efficient Organic Photovoltaics

Abstract

다양한 유기광전소자 중 유기 태양전지는 다양한 장점으로 인해 미래 대체 에너지원으로서 큰 주목을 받고 있다. 그 장점으로, 유기 태양전지는 용액기반 공정을 통해 소자 제작 과정에 있어서 인쇄가 용이하며 구부림이 가능한 소자를 만들 수 있고, 또한 실리콘 태양전지에 비해서 제작 비용을 크게 절감 할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 하지만 유기 태양전지의 활성층에 주로 사용되는 유기 공액고분자는 실리콘과 같은 무기 물질에 비해 낮은 결정성과 전하 이동도를 가진다. 따라서 유기 태양전지의 활성층은 얇은 두께로 제작되어야만 하고, 결과적으로 활성층에서의 광 흡수량이 감소하여 광전류 형성에 불리한 영향을 미친다. 또한 유기 물질을 이용한 태양전지는 높은 에너지 손실로 인해 낮은 개방 회로 전압을 가진다. 그로 인해 다른 종류의 태양전지 보다 에너지 전환 효율이 낮다고 보고된다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서 현재 세계의 많은 연구자들이 유기 태양전지의 효율을 향상시키는 연구를 활발히 진행중이다. 유기 태양전지의 효율 향상은 단락 전류, 개방 회로 전압, 필팩터 세 가지 변수의 상승에 의존하는데, 주로 활성층의 구조나 모폴로지 개선, 소자 구조의 변경 그리고 정공·전자 수송층의 변경을 통한 효율 향상 방법이 학계에 보고되어 있다. 본 논문에서는 유기 태양전지의 에너지 전환 효율을 향상시키기 위해 활성층의 구조와 소자 구조를 변경하여 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 소개한다. 첫 번째 연구는 여러 장점에도 불구하고 낮은 효율로 인해 현재 연구가 잘 이루어지지 않고 있는 이중층 구조의 효율을 향상시키는 방안에 대한 연구이다. 이중층 태양전지는 복잡한 모폴로지에 크게 구애 받지않고 전하를 효율적으로 수송할 수 있어 대면적등의 상용화에 유리하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구는 이중층 구조의 효율을 향상시키기 위한 방안으로 첨가제를 전자 주개와 전자 받개 층에 각각 도입하여 이중층 구조의 효율 향상 방법을 제시하였고 나아가 고효율의 이중층 유기 태양전지를 제작하였다. 두 번째 연구는 벌크 이종접합 유기 태양전지 소자의 단락 전류를 향상시키기 위해 평면성이 높은 고분자를 활성층에 도입하여 고분자·풀러린 구조 활성층의 광흡수량을 증대하는 방법으로 단락 전류를 증가시켰다. 또한, 이는 고분자·풀러린 구조뿐만 아니라 고분자·비풀러린, 고분자·고분자 등의 구조에서 모두 광전류가 향상되는 흥미로운 결과를 보였다. 결과적으로 평면성이 높은 고분자를 활성층에 도입함으로써 활성층의 구조에 구애 받지 않고도 효율을 극대화 하는 획기적인 방법을 제시한다. 세 번째 연구는 높은 개방 회로 전압을 얻기 위해 에너지 손실을 최소화 하는 소자 구조를 만들고 이를 직렬 연결 구조로 응용하는 연구이다. 유기 태양전지는 다른 태양전지에 비해 높은 에너지 손실률을 가지는데 이로 인해 효율이 저하된다. 따라서 고효율의 유기 태양전지를 만들기 위해 이를 극복하는 방법으로 본 연구에서는 활성층의 밴드갭과 비슷한 전하 이동 상태 준위를 형성시켜 에너지 손실률을 최소화하여 높은 개방 회로 전압을 가지는 소자를 구현 시켰다. 나아가 본 연구는 더 높은 소자 효율을 구현하기 위해서 해당 소자와 다른 흡수 영역을 가진 활성층을 직렬 구조로 연결해 더 높은 개방 회로 전압을 구현하는 방법이 제시된다. 마지막 연구에서는 삼원 구조를 소자의 활성층에 도입시켜 필팩터를 개선하기 위한 연구를 진행하였다. 일반적으로 삼원 구조의 유기 태양전지 소자에서는 특정 비율에서만 필팩터가 높게 유지되는 한계가 존재했다. 본 연구에서는 기존 삼원구조의 한계를 극복하고 전 비율에서 높은 필팩터를 달성하는 결과를 성취했다. 특히, 이러한 한계점의 원인을 전하 이동에서 찾고자 했으며, 이에 대한 해결방안으로 두 개의 다른 전자 주개의 최고 준위 점유 분자 궤도를 서로 동일하게 맞춤으로써 필팩터가 개선되는 결과를 얻었다. 나아가 본 연구는 최고 준위 점유 분자 궤도가 동일한 세 개의 다른 고분자와 풀러린을 사용한 사항 구조에서도 같은 방법을 통해 필팩터가 개선 됨을 확인시켰다. 본 연구에서는 이중층, 벌크 이종접합, 직렬 연결 구조, 삼원 구조 등 다양한 구조적 방법을 통해 유기 태양전지의 단점인 낮은 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제시했다. 이를 통해 고효율의 유기 태양전지를 제작함으로써 유기 태양전지 연구가 앞으로도 큰 발전 가능성을 가지고 있음을 강조하고자 한다.