효율 10%, 수명 10년이 상용화를 위한 목표이다.
☉ 벌크 이종접합(폴리머-플러렌) 유기 태양전지
- 반도체 폴리머 또는 저분자 물질(전자 도너)과 플러렌 파생물(전자 업셉터)이 혼합된 광활성층이 전자 수송층과 홀수송층 그리고 그것들에 대응하는 두 전극(낮은 일함수 전극과 높은 일함수 전극)사이에 샌드위치되어 있다.
☉ 벌크 이종접합(폴리머-플러렌) 유기 태양전지
- 반도체 폴리머 또는 저분자 물질(전자 도너)과 플러렌 파생물(전자 업셉터)이 혼합된 광활성층이 전자 수송층과 홀수송층 그리고 그것들에 대응하는 두 전극(낮은 일함수 전극과 높은 일함수 전극)사이에 샌드위치되어 있다.
(벌크 이종접합 유기 태양전지 소자 아키텍처)
(1)태양광이 도너 또는 업셉터에 의해 흡수(광흡수)되면 전자 여기가 일어나고 움직이는 전자-홀 쌍(exciton)이 생성된다. (2)exciton은 도너와 업셉터 계면으로 확산(exciton 확산)되고, (3)도너-업셉터 계면에서 충분한 화학 포텐셜 에너지 차이에 의해 전자는 업셉터의 LUMO로 이동하고 홀은 도너의 HOMO로 이동한다(전하 분리). 이 상태가 전하 이동 상태(charge transfer state)인데 두 전하는 서로 다른 분자에 머문다. (4) 두 전하가 각 전극으로 수송되고 전류로써 수집된다(전하 추출).
☉ 단점
- 효율이 낮다 (최소한 10%는 되어야 한다)
- 수명이 짧다 (10년 이상이여 한다)
셀 가격이 싸다
- 옥내의 저소비 전력 IoT 센서에 전력 공급 가능.
- 재료(폴리머 물질)가 싸다.
- 재료(폴리머 물질)가 싸다.
- 제조 비용이 낮다 (롤투롤 공정이 가능하다 --> 대량 생산이 가능).
- 경량 (소형 자율 센서와 휴대용 가전 제품에 있어서 중요하다)
- 경량 (소형 자율 센서와 휴대용 가전 제품에 있어서 중요하다)
- 매우 얇다.
- 플라스틱 기판과 양립할 수 있고 플렉서블 하다.
- 일회용이 가능하다
- 반투명하고 색깔 튜닝 가능
- 재료가 풍부하다
- 제조시 낮은 탄소 배출량
- 제조시 낮은 탄소 배출량
☉ 이종접합
- 평면 이종접합(planar heterojunction)
:전자 도너 물질과 전자 업셉터 물질이 적층되어 있다.
:광에 의해 도너 물질에서 생성된 엑시톤의 확산 거리가 3~10 nm이기 때문에 도너 층은 얇아야 한다. 도너 층이 앏으면 광흡수를 효과적으로 할 수 없다.
- 벌크 이종접합(bulk heterojunction)
:전자 도너 물질과 전자 업셉터 물질이 혼합된 층으로 이루어져 있다(나노정션 형성)
:각 물질의 단지 몇 nm 떨어져 있어 엑시톤이 확산되기 적합한 거리에 있다.
:나노크기로 물질의 모폴로지를 민감하게 제어할 필요가 있다.
- 정돈된 이종접합(ordered heterojuction)
:정돈된 무기 물질과 유기 물질의 하이브리드이다.
:예로서 나노 크기의 다공성 TiO2에 폴리머를 채우는 것이다.
:홀 이동도를 개선하는 것이 필요하다.
☉ 특징
- 태양광을 수확하기 위해 탄소 기반의 큰 분자를 사용한다.
- Si 기반 태양전지 소자 처럼 태양광을 흡수하면 바로 분리 된 전자와 홀을 생성시키는 것이 아니라 결합된 전자와 홀의 쌍인 엑시톤을 생성시킨다. 그 이유는 유기 물질은 유전상수가 낮기 때문이다.
- 엑시톤을 분리시키기 위해 그의 결합에너지인 0.1~1 eV 만큼 필요하다.
- 벌크 이종접합 유기 태양전지에서 엑시톤 분리의 구동력은 도너와 업셉터 사이의 이온화 포텐셜과 전자 친화력에 있어서의 차이다.
- 단일층 유기 태양전지에서 엑시톤 분리는 Schottky contact의 공핍층내에 있는 강한 전기장에 의해 이루어질 수 있다.
- Si 기반 태양전지 소자 처럼 태양광을 흡수하면 바로 분리 된 전자와 홀을 생성시키는 것이 아니라 결합된 전자와 홀의 쌍인 엑시톤을 생성시킨다. 그 이유는 유기 물질은 유전상수가 낮기 때문이다.
- 엑시톤을 분리시키기 위해 그의 결합에너지인 0.1~1 eV 만큼 필요하다.
- 벌크 이종접합 유기 태양전지에서 엑시톤 분리의 구동력은 도너와 업셉터 사이의 이온화 포텐셜과 전자 친화력에 있어서의 차이다.
- 단일층 유기 태양전지에서 엑시톤 분리는 Schottky contact의 공핍층내에 있는 강한 전기장에 의해 이루어질 수 있다.
- 전하 캐리어가 각 전극으로 뽑아내지는 메인 구동력은 홀과 전자를 위한 전극의 서로 다른 일함수의 차이로 생기는 내부 전기장이다.
- Voc는 계면에서의 엑시톤 분리 과정에 의해 발생하는 화학적 포텐셜 에너지 경사도에 의해 주로 제어될 수 있다.
-광전기 성능에서 계면적의 효과는 엑시톤 분리와 계면 재결합 사이의 trade-off에 의해 영향을 받는다.
☉ 역사
- 용액 공정의 벌크 이종접합 태양전지는 최초로 Friend et al.에 의해 활성 박막 재료 모두가 폴리머로 발표되었다.
- 1995년에 Heeger et al.에 의해 폴리머/플러렌 혼합물이 만들어졌다.
☉ 효율을 떨어뜨리는 요인
- 짧은 exciton 확산거리 (~10nm)
- 광활성층내에서 낮은 전하 캐리어 이동도 (특히 홀 이동도가 10^-6 ~ 10^-3 cm2/Vs)
- 광흡수층의 밴드갭 대비 낮은 셀 Voc(ex.: 밴드갭 1.65eV일때 Voc 0.77V, 전압 손실 0.88V)
✽ c-Si과 페로브스카이트 셀의 전압 손실은 0.40~0.55V임
✽ c-Si과 페로브스카이트 셀의 전압 손실은 0.40~0.55V임
☉ 주요 연구 과제
1. 효율 향상
1) p-type 폴리머 개발
- 저 밴드갭(1.4~1.6 eV) 폴리머 개발(외부 양자 효율 향상을 위해)
- 에너지 offset(ΔLUMO > 0.3 eV)
- 높은 홀 이동도(전자 이동도와 균형이 맞아야 한다.)
- 유전 상수 증가(>10); exciton 결합에너지를 줄인다
2) 새로운 반도체 폴리머
- 도너-업셉터(D-A) 백본을 갖는 반도체 폴리머(좁은 광 밴드갭을 극복하기 위해)
3) 광 활성층 모폴로지 제어(Exciton 수송과 분리, 전하 수송, 재결합 그리고 수집에 영향을 준다.)
- 상 분리된 구조의 도메인 크기
:더 농축된 용액이나 더 빠른 증발 속도로 인해 결정화와 침전의 다나믹스가 다르다.
- 결정화도
:결정화도가 증가하면 exciton 확산 거리가 늘어나고 광흡수 계수가 커질 수 있어 Jsc를 증가 시킬 수 있다. 또한 전하 캐리어 이동도도 증가로 부터 전하 수집 강화로 인한 FF가 증가할 수 있다.
:폴리머의 결정화도를 증가시키기 위한 일반적인 방법은 코팅 후 열처리 또는 용매 증기 어닐링, 고비점 cosolvent 첨가제(chloronaphthalene, CN) 사용, 핵 생성제 첨가이다.
:폴리머 결정화도 증가와 동시에 도메인 크기가 커지면 오히려 효율에 나쁜 영향을 미친다. 왜냐하면 도메인 크기가 10~20 nm이상이 되면 exciton 확산 거리 보다 커져 높은 exction 재결합비를 낳는다.
- 계면 방향
4) 광 트랩(Jsc 증가 위해)
- 셀 구조를 마이크로 또는 나노 크기로 기하학적으로 엔지니어링
- 플라즈몬 적용
- 격자 구조 적용
5) 활성층과 전극 사이의 buffer 층(ETL, HTL) 두께 제어
- exciton 수명과 확산 거리를 늘릴 수 있다.
6) 새로운 소자 구조 개발
- 탠덤 구조(효율 11%이상 달성)
7) Voc에 영향을 주는 인자들
(Open circuit voltage of organic solar cells: an in-depth review Energy Environ. Sci., 2016,9, 391-410)
2. 수명 향상
열, 빛, 공기(산소, 수분), 그리고 기계적(굽힘, 충격)에 대한 내성
1) 배리어 코팅; 산소와 수분 차단
- 화학적으로 복잡한 폴리머 보호
2) 봉지 기술
3) 새로운 소자 구조
- 역구조(inverted structure)
:캐소드 전극은 cathode buffer layer+ITO, 애노드 전극은 Ag임
(✻ cathode buffer layer: 무기물 → ZnO, CsCO3, TiOx, 유기물 → PEN(물과 알콜일 녹음), PEIE, TIPD, amine group factionalized fullerene derivates)
4) 플러렌 대체 업셉터 개발
☉ 재료
- 전자 도너(p 타입 반도체; n-conjugated 폴리머와 저분자 반도체 ); benzodithiophene, difluorobenzothiadiazole
: P3HT(상대적으로 안정적이고 쉽게 합성할 수 있고 용액 공정과 양립성이 좋다) , PTB7(원래 대량으로 합성하기 어렵고, 용해도가 낮고, 소자 재현성이 나쁘고 광학적으로 불안하다), RR-P3HT, MEH-PPV, MDMO-PPV, PFB
: P3HT(상대적으로 안정적이고 쉽게 합성할 수 있고 용액 공정과 양립성이 좋다) , PTB7(원래 대량으로 합성하기 어렵고, 용해도가 낮고, 소자 재현성이 나쁘고 광학적으로 불안하다), RR-P3HT, MEH-PPV, MDMO-PPV, PFB
- 전자 업셉터(n 타입 반도체); CN-MEH-PPV, F8TB, PC61BM, PC71BM, ICBM, n-type 무기 반도체(TiO2, ZnO)
- D-A 폴리머; PCPDTBT, PCDTBT, PTBs, PNTz4T
- 용매; chlorobenzene
- 스퍼터링 ITO -> Ag 망사, Cu 나노 와이어, 카본 나노튜브, 그래핀, 금속 그리드 패턴, PEDOT:PSS
- 스퍼터링 Ag -> 용액 공정 금속 나노입자, 카본 나노튜브, 변형된 PEDOT:PSS
☉ 코팅 방법
- 스핀 코팅, 스크린 프린팅, doctor blading, inkjet 프린팅, slot-die casting 그리고 스프레이 증착
- D-A 폴리머; PCPDTBT, PCDTBT, PTBs, PNTz4T
- 용매; chlorobenzene
- 스퍼터링 ITO -> Ag 망사, Cu 나노 와이어, 카본 나노튜브, 그래핀, 금속 그리드 패턴, PEDOT:PSS
- 스퍼터링 Ag -> 용액 공정 금속 나노입자, 카본 나노튜브, 변형된 PEDOT:PSS
☉ 코팅 방법
- 스핀 코팅, 스크린 프린팅, doctor blading, inkjet 프린팅, slot-die casting 그리고 스프레이 증착
☉ 회사
(1) Solliance
Holst Center에서 개발된 베리어 기술이 적용된 완전히 플렉서블한 유기 태양전지 모듈의 열 안정성 평가(85°C, 85% 상대습도)에서 7,000 시간을 견딘다.
(2) Heliatek
-고생산 롤투롤 공정
-저분자 물질을 진공 열증착하여 활성층을 형성
-효율: 무투명(다중접합) 13.2%, 투명(투과율 50%) 6%
-85도/85% r.h. 환경에서 3000시간 후 열화율 10%
(3) Mitsubishi Chemical Corp.
Riken 연구소가 85˚C 온도에서 500 시간 동안 안정적인 유기 화합물을 발견했다. 유기 태양전지 셀은 11.7%의 효율을 가지지만 모듈화하면 약 5%으로 효율이 떨어진다.
(4) Chose
페로브스카이트 적용 소자 구조에 따라 효율 7~13%의 유기 태양전지 모듈이 있다.
(5) TU Dresden
ALD(atomic layer deposition)과 MLD(molecular layer deposition)을 결합에 의한 플렉서블 베리어의 향상된 성능과 우수한 스트레스 저항력의 유기 태양전지를 개발
(6) Eight19
실내 및 실외용 OPV 모듈 제공 가능
(실외용)
(7) 재료 회사
- BASF SE, Sumitomo Chemical Co., Ltd., Solarmer Energy, Inc. Heliateck GmbH
☉ 응용
-모바일: 자동차(음향 시스템에 전원 공급), 휴대 기기( 휴대용 발전기, 휴대용 컴퓨터, 휴대폰, 솔라 가방)
-BIPV(현재 주요 응용 분야이다)
-군사용
-기타: 인테리어용 태양전지(실내 조명에도 동작), 전력 생산 편광 필터. 인공 망막
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