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'유기태양전지'에 해당되는 글 2

  1. 2012.03.19 고효율 무-유기 하이브리드 태양전지
  2. 2010.12.10 휘어지는 유기태양전지의 효율 높이기

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

posted by 글쓴이 과학이야기

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2010. 12. 10. 03:00 대덕밸리과학소식/KAIST

유기태양전지는 반도체고분자의 광반응을 통해 전기에너지를 생산하면서도 고가의 실리콘을 사용하지 않아 가격이 저렴합니다.
또 잘 휘고 투명해 여러 분야에 적용 가능한 미래 친환경 에너지원입니다.

유기태양전지는 휴대 전자기기나 스마트 의류, BIPV(Building Integration Photovoltaic : 건물 외피에 전지판을 이용하는 건물 외장형 태양광 발전) 등 다양한 분야에 응용될 수 있습니다.

그런데 효율이 문제였습니다.

유기태양전지가 다른 태양전지에 비해 효율이 낮은 중요한 이유 중 하나는 태양빛을 받아 전자와 정공을 형성시키는 반도체고분자의 수송특성이 낮기 때문에 생성된 전자나 정공이 효율적으로 외부로 전달되지 못한다는 점입니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 반도체고분자의 수송 특성을 향상시키려는 다양한 연구들이 전 세계적으로 진행되어 왔습니다.

이 가운데 특히, 탄소나노튜브나 나노와이어 등을 이용해 전자나 정공의 빠른 수송 경로를 제공해주는 방법이 꾸준히 연구됐는데요.

그러나 전자와 정공이 동시에 탄소나노튜브나 나노와이어에 주입되어 자기들끼리 재결합 함으로써, 결국 외부에서 채집되는 전류가 증대되지 못하거나 오히려 감소하는 고질적인 문제가 발생했습니다.

이 같은 문제를 포함해 유기태양전지의 낮은 광변환 효율 등이 상용화에 걸림돌이 돼 이에 대한 성능향상이 시급히 요구돼 왔습니다.

이 같은 문제점을 우리나라 KAIST에서 해결했습니다.

김상욱 교수


KAIST 신소재공학과 김상욱 교수팀과 전기및전자공학과 유승협 교수팀이 탄소나노튜브를 유기태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 크게 향상시키는데 성공했습니다.

 연구팀은 유기 태양전지의 반도체고분자에 붕소 또는 질소 원소로 도핑된 탄소나노튜브를 적용해 전자나 정공 중 한쪽만을 선택적으로 수송하도록 함으로써, 이들의 재결합을 막아 유기태양전지의 효율을 33%나 향상시켰습니다.

도핑된 탄소나노튜브가 적용된 유기태양전지의 구조 도식.(탄소나노튜브(까만 실같은 것)가 적용된 빨간 부분에서 광반응이 일어나서 전기에너지를 생산 할 수 있습니다.)

또 도핑된 탄소나노튜브는 유기용매 및 반도체고분자내에서 매우 쉽고 고르게 분산되는 특성을 보여, 기존의 값싼 용액공정을 그대로 사용해 효율이 향상된 태양전지를 만들 수 있음을 확인했습니다.

이번 연구결과로 반도체고분자가 이용되는 유기트랜지스터나 유기디스플레이 등 다양한 전자기기의 성능향상도 가능할 것으로 기대되고 있습니다.

이주민 연구원

유승협 교수













 용어설명

도핑 : 고순도로 된 물질의 전기적인 특성을 변화시키기 위해서 강제적으로 불순물을 고순도 물질내에 넣어주는 것. 이때 넣는 불순물을 도펀트라고  한다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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