2017년 7월 31일 월요일

그래핀이 상/하부 전극에 모두 사용된 투명한 플렉서블 태양전지

MIT 연구자들은 활성층의 손상없이 HTL(hole transfer layer) 위에 그래핀 전극을 결합하는 새로운 기술을 개발했다. 

유기 태양전지는 투명할 수 있다. 많은 유기 물질은 태양광의 자외선과 근적외선을 흡수하지만 가시광을 투과시키기 때문이다. 

하지만 유기 태양전지가 플렉서블하기는 쉽지 않다. 가장 일반적인 투명 전극 ITO를 사용하면 투명 유기 태양전지를 만들 수 있지만 ITO는 딱딱하고 부서지기 쉽게 때문에 플렉서블 유기 태양전지를 만들기 어렵다.

유망한 대안은 그래핀이다. 그래핀은 원자 한층 두께의 탄소 시트이고 높은 전도성, 플렉서블, 견고하고, 투명한 특성을 가지고 있다. 게다가 그래핀 전극은 단지 1nm 두께일 수 있다.   

그래핀을 유기 태양전지의 상하부 전극으로 적용할때 극복해야할 2가지 사항이 있다. 첫째 HTL의 표면 위에 상부 전극으로서 그래핀을 붙이는 것이다. 둘째 상하부 전극이 서로 다른 역할을 하기 위해서는 그래핀의 일함수가 서로 달라야 한다. 그래핀의 일함수에 따라 전자가 어느 방향으로 갈지 결정되기 때문이다. 

그들은 상부 그래핀 전극을 위해 둥둥 떠 있는 그래핀/폴리머 스택을 도장의 낙인처럼 생각했다. 그들은 0.5mm 두께의 실리콘 고무틀로 스택을 눌렀다. 족집게로 고무틀을 집어 스택을 밖으로 꺼내 건조시킨 후 HTL 위에 놓았다. 최소한의 열로 실리콘 고무 도장과 폴리머 지지층을 벗겨내서 HTL위에 그래핀을 올라 앉게 했다.

처음에는 상부 그래핀 전극이 제대로 동작하지 않았다. 그래핀 층이 HTL에 단단하게 붙지 않아 전류가 효과적으로 흐리지 않았기 때문이다.

구조에 충분히 열을 가해 그래핀을 단단히 붙힐 수 있지만 민감한 유기 물질에 손상을 준다. 그리고 HTL 위에 그래핀을 놓기전에 그래핀 아래에 접착제를 바르는 것은 두 층을 서로 붙이는데는 좋지만 결국 두 층사이에 추가 층이 생겨 계면 컨택 특성을 저하시킨다.      

그들은 접착제를 그래핀 아래에 하나의 층으로서 코팅하지 않고 그래핀 위에 부드럽고 끈적끈적한 폴리머를 뿌려 문제점을 해결했다. 접착제가 HTL과 직접 컨택하지 않지만 그래핀이 매우 얇기 때문에 접착특성이 그래핀을 통해 그대로 유지될 수 있다. 



위 기술을 검증하기 위해 연구자들은 EVA(ethylene-vinylacetate)층을 그래핀의 바로 위에 결합시켰다. EVA층은 매우 플렉서블하고 얇아서 쉽게 찢어지지만 폴리머층과 잘 배열되었고 HTL에 단단히 붙었다.  

이 새로운 공정은 예상치 못한 이점을 낳았다. 그래핀과 HTL의 결합이 전극의 일함수가 그들이 필요로하는 일함수로 변했기 때문이다. 



그들은 그래핀 전극이 실제로 얼마나 잘 작동하지 알고 싶었다. 비교를 위해 그래핀, ITO, 그리고 Al으로 만들어진 전극과 딱딱한 유리 기판을 이용해서 일련의 유기 태양전지를 만들었다. 

새로운 플렉서블 그래핀/그래핀 소자와 ITO/그래핀 소자의 전류 밀도(CD, current density)와 효율(PCEs)은 비슷하지만 Al 전극이 적용된 소자에 비해 낮았다. 하부 전극으로서 Al 전극은 입사광을 태양전지로 다시 반사시켜 투명한 소자에 비해 태양 에너지를 더 많이 흡수할 수 있어 전류 밀도와 효율이 상대적으로 높다. 

딱딱한 유리 기판 뿐아니라 플렉서블 기판위에 그들이 만든 모든 그래핀/그래핀 소자의 효율은 2.8%~4.1% 범위였다. 효율이 상용 태양전지 패널에 비해 매우 낮지만 종전의 반투명 그래핀/그래핀 소자의 효율과 비교하면 큰 진전이다. 

그들의 그래핀/그래핀 유기 태양전지는 어떤 종류의 표면 위에도 만들질 수 있다. 이를 증명하기 위해 기판으로 플라스틱, 불투명 종이, 그리고 투명한 켑톤 테이프가 이용됐다. 소자의 성능은 3가지 플렉서블 기판에서 거의 같았다.     

현재 연구자들은그래핀 기반 유기 태양전지의 투명도를 희생시키지 않고 효율을 증가시키기 위해 연구하고 있다(활성층의 면적을 증가시키면 효율은 증가하지만 투명도은 떨어진다). 

그들의 계산에 의하면, 현재 수준의 투명도에서 이론적 최대 효율을 10%이다. 


참고:http://energy.mit.edu/news/transparent-flexible-solar-cells-combine-organic-materials-graphene-electrodes/