반전된 구조를 갖는 유기 태양전지와 그 응용

Abstract

유기 태양전지의 구조를 반전된 형태로 구성하였을 때 안정성이 향상되는 것으로 알려지면서 최근 연구자들의 많은 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 반전된 구조를 갖는 유기 태양전지를 구현하는데 필요한 요소기술에 대한 기초 연구를 수행하였고, 반전된 구조의 응용으로 유연한 스테인리스강 기판을 사용한 유기 태양전지와 반투명 유기 태양전지를 구현하고 평가하였다. 반전된 유기 태양전지를 구현하기 위해서는 전극의 극성을 바꾸기 위한 버퍼층과 투명 전극이 필요하다. 본 논문에서는 WO3를 p-type 버퍼층으로 사용하고, Cs2CO3를 n-type 버퍼층으로 사용하였으며, 투명전극은 광활성화층에 손상을 주지 않으면서 형성되어야 하기 때문에 ZnS, Ag, WO3를 활용한 다층 투명 전극 기술을 활용하였다. 빛이 아래 방향에서 들어오는 구조와 위 방향에서 들어오는 구조에 대해 소자를 제작하고 평가한 결과 전극의 극성이 반전되는 특성을 확인하였다. 스테인리스강 기판은 기계적인 안정성 면에서 우수한 특성을 보이고, 다른 기판에 비해 열을 밖으로 잘 배출할 수 있으며, 기판 방향으로 투과될 수 있는 수분이나 산소를 원천적으로 차단해 준다는 장점이 있다. 유연한 스테인리스강 기판 위에 반전된 구조를 갖는 유기 태양전지를 구현하였고, 유리를 기판으로 사용했을 때와 유사한 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 적절한 유기 재료의 선택을 통해 유기 태양전지를 반투명하게 제작할 수 있다는 점은 다른 재료를 사용한 태양전지와 차별화되는 부분이다. 가격이 저렴하고 유연하면서 반투명한 태양전지가 갖고 있는 시장 잠재력은 그 활용범위를 가늠해 볼 때 매우 크다고 판단된다. 자동차용 틴팅 필름의 투과율을 목표로 하여 반투명 유기 태양전지를 구현한 결과 가시광선 투과율이 약 20% 정도로 틴팅 필름과 유사한 투과율을 갖는 것을 확인하였다. ITO 전극 방향으로 빛이 들어가는 경우에 비해 다층 투명 전극 방향으로 빛이 들어가는 경우 변환효율이 저하되는 특성을 보였고, 이는 다층 투명 전극 방향으로 빛이 들어가는 경우에 빛이 일부 반사되기 때문이라는 점을 시뮬레이션을 통해 발견하였다.