고효율 무-유기 하이브리드 태양전지

태양으로부터 지구에 도달하는 태양광은 자외선에서 가시광선 및 적외선을 포함하고 있으며, 현재 무-유기 하이브리드 태양전지는 주로 가시광선까지의 태양광을 활용하므로 효율 향상의 한계를 이번 연구 성과를 통해 기존보다 넓은 파장대 영역의 태양광을 활용할 수 있는 기술을 개발함


한국화학연구원 석상일 박사팀이 기존 태양전지 기술과 무기 및 유기 소재의 장점을 융합한 무-유기 하이브리드 태양전지 제조기술의 고효율화를 위한 방법론을 제시했습니다.

무-유기 이종접합 하이브리드 태양전지 제조기술은 2010년 석상일 박사팀이 세계 최초로 개발한 신개념 태양전지 제조 원천기술입니다.

당시 석 박사팀은 고효율의 무기반도체박막태양전지와 저가의 유기태양전지를 염료감응태양전지 구조에 적용한 융합기술로 효율성과 가격경쟁력의 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 원천기술을 발표해 주목을 받았습니다.
     
이번에 석 박사팀은 태양전지의 효율을 획기적으로 올리기 위한 다중구조(panchromatic)의 태양전지를 제조하는데 성공해 태양전지의 고효율화를 위한 새로운 길을 제시했습니다.

이번 연구는 그 동안 제대로 활용하지 못했던 태양광의 장파장 영역에 있는 빛을 효율적으로 흡수하고 광전자-홀로 분리하여 기존보다 넓은 파장대의 태양광을 활용할 수 있는 기술입니다.

이번 연구성과는 세계적 권위의 나노분야 학술지 나노레터스(Nano Letters) 온라인판(2012년3월8일)에 게재되었습니다.
(논문제목 : Panchromatic Photon-Harvesting by Hole-Conducting Materials in Inorganic-Organic Heterojunction Sensitized-Solar Cell through the Formation of Nanostructured Electron Channels)

다중구조 (panchromatic)의 무-유기 하이브리드 KRICT 태양전지 구조

광전극 골격에 가시광 영역의 빛을 흡수하는 무기반도체 나노입자와 근적외선 영역의 빛을 흡수하는 공액 고분자를 이용한 다중구조에서 광으로부터 전자를 생성하는 개념도

 

 용  어  설  명

무기반도체박막태양전지 :
전자(n)-정공(p)의 무기반도체 박막을 p-n으로 서로 접합하였을 때 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 되는 원리로 동작하는 태양전지.
효율은 높지만 제조 비용이 고가인 단점이 있음.

염료감응태양전지 :
식물의 광합성 원리를 모방한 태양전지로, 전자(n) 전도성 지지체 위에 태양광을 흡수하는 염료를 부착하여 태양광 흡수로 생성된 전자-정공 쌍이 전자전도체-홀전도체 계면에서 분리되어 전자와 홀이 외부 회로로 흐르게 하여 동작하는 태양전지.
효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만, 액체전해질 사용으로 장기적으로 사용하는데 안정성 문제가 있음.

유기태양전지 :
태양광을 흡수하여 전자-정공을 생성하는 고분자 재료에 전자흡수능력을 가진 물질을 결합하여 제조되는 태양전지.
저가로 제조가 가능하지만, 광안정성이 낮은 단점이 있음.

공액 고분자 :
폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리사이오펜과 같이 탄소와 탄소사이가 이중결합 (π 결합)과 단일결합 (σ결합)이 교대로 형성된 구조를 가지는 고분자로써 전기 전도성 및 반도체적인 성질을 가져 발광 다이오드, 태양전지, 트랜지스터 등에 사용됨.

Nano Letters誌 :
나노과학 및 나노기술 분야에서 세계적으로 권위 있는 학술지로, 미국 화학회에서 발행하는 학술지 (2010년도 SCI 피인용지수 : 12.219)

<무기-유기 이종접합 하이브리드 태양전지 제조기술> 1. 기존 태양전지 제조기술  ○ 반도체박막태양전지 : 효율이 높지만 고가임  ○ 염료감응태양전지 : 효율이 비교적 높고 저가가 제조가 가능하지만 액체전해질 사용에 의한 장기 안정성에 문제를 가지고 있음  ○ 유기태양전지 : 저가로 제조가 가능하지만 광안정성이 낮음 2. 무기-유기 이종접합 하이브리드 태양전지  ○ 무기물과 유기물을 주요한 태양전지의 구성 요소로 동작하는 태양전지  ○ 순수 유기물 태양전지에 비하여 내구성이 우수하고 고효율이 가능  ○ 저가의 무기물과 화학적 용액 공정에 의하여 태양전지 제조가 가능하며, 무기반도체나노입자와 전도성 고분자 모두에서 태양에너지를 흡수하여 전기적 에너지로 변환이 가능한 구조  ○ 광흡수와 전자전달을 하는 무기반도체와 홀전달체인 공액 고분자의 유기반도체가 계면에서 서로 접합한 접합부에서 광에 의하여 생성된 전자-정공이 에너지 준위의 차이에 의하여 전자는 무기물인 무기반도체층으로, 정공은 유기반도체층으로 이동하는 원리로 동작하는 태양전지.  ○ 염료감응태양전지의 구조에 기반하여, 고효율 무기반도체박막태양전지의 무기반도체를 나노입자화(양자점 포함)하여 염료 대신에 광감응제로 사용하고, 유기태양전지의 전도성 고분자와 효과적으로 결합하는 방법  ○ g당 수십만원 하는 합성된 염료 대신에 단지 수십원하는 무기반도체나노입자용 원료를 사용하여 광흡수층을 용액상에서 생성시키고, 유기 용매에 용해한 전도성 고분자를 코팅하는 매우 단순한 공정에 의하여 태양전지 제조 가능  ○ 근적외선 영역의 태양광 에너지도 활용이 가능한 특징을 가지며, 대면적이나 유연성 기판에도 쉽게 적용이 가능