Novel Organic Material Architecture Designing for Highly Efficient Organic Solar Cells

고효율 유기 태양전지를 위한 신규 유기 재료의 구조 설계

Novel Organic Material Architecture Designing for Highly Efficient Organic Solar Cells

이상규ㆍ신원석ㆍ이종철ㆍ문상진

| Sang Kyu Lee

Won Suk Shin

Jong-Cheol Lee

Sang-Jin Moon Energy Materials Research Center, Korea Research Institute of Chemical Technology 141 Gajeong-ro, Yuseong-gu, Daejeon 305-600, Korea E-mail: [email protected]

이상규

2001 성균관대학교 화학과(학사) 2003 한국과학기술원 화학과(석사) 2007 한국과학기술원 화학과(박사) 2007-2009 미국 University of California,

Santa Barbara(UCSB) (Post-Doc.)

2009-현재 한국화학연구원 선임연구원

신원석

1990 연세대학교 화학과(학사) 1992 한국과학기술원 화학과(석사) 1995 한국과학기술원 화학과(박사) 1995-1999 삼성종합화학 선임연구원 1999-2002 미국 아리조나주립대학(Post-Doc.) 2002-2003 미국 노스웨스턴대학(Post-Doc.) 2003-2004 포항공대 초분자연구단 선임연구원 2004-2007 부산대 플라스틱정보소재연구센터

IT 연구교수

2007-현재 한국화학연구원 책임연구원 이종철

1983 부산대학교 화학과(학사) 1985 부산대학교 화학과(석사) 2001 한국과학기술원화학과(박사) 2001-2003 미국 Mayo Clinic(Post-Doc.) 1987-현재 한국화학연구원 책임연구원

문상진

1979 서울대학교 화학공학과(학사) 1981 한국과학기술원 화학공학과(석사) 1988 한국과학기술원 화학공학과(박사) 1992-1993 미국 Purdue 대학교

화학공학과(Post-Doc.) 1988-현재 한국화학연구원 책임연구원 2012-현재 한국유기태양전지학회장

1. 서론

1954년 미국의 Bell-Lab에서 결정질 실리콘 태양전지가 첫 선을 보인 이래 50여 년의 역사를 거치면서 다양한 종류의 태양전지들이 산업 속으로 편입되고 있다. 태양광 산업은 2009년에 세계적으로 6GW 이상 의 설치량을 보이면서 어엿이 300억 불 시장의 독립적인 산업군을 형성하였으며 21세기 중반까지도 지속 적인 급성장세가 예상되고 있다. 물론 현재의 주종 품목은 태양광 발전시장에서 압도적인 용도를 갖는 결 정질 실리콘 태양전지이지만 최근 들어 a-Si, CdTe, CIGS 등 무기계 박막 태양전지들의 시장 점유율이 꾸 준히 증가하고 있고 실제로 2009년에는 20% 수준까지 상승하였다. 염료감응형 및 유기 박막형으로 대변되 는 유기 태양전지들은 아직 본격적으로 시장에 진입하고 있지는 못하지만 값싼 재료비와 공정비, 그리고 가볍고 유연하며 투명한 특성들을 내세워 앞으로 예상되는 “ubiquitous solar”시대를 선도할 수 있는 또 다른 가능성을 제시하고 있다. 물론 아직 성능이 낮아 활용에 다소 제한이 있기는 하지만 앞으로 10% 이상 의 고효율이 확보되면 본격적으로 건물의 창이나 발코니 등에 설치하여 수려한 외관을 창출하며 동시에 전 기를 생산해내는 소위 BIPV 용도에서 크게 쓰여질 것이다. 또한 장래에는 다양한 유연성 디스플레이에도 가장 궁합이 맞는 파트너가 될 것이며 군수용이나 실내용, 일회용 태양전지 등 21세기 solar 시대를 뒷받침 하는 다양한 에너지원 역할을 톡톡히 할 것으로 기대된다.

이 같은 유기 박막 태양전지는 실험실에서 새롭게 합성할 수 있는 다양한 유기반도체 재료를 그것도 아주

그림 1. 유기 태양전지 출원년도 및 국가별 출원추이.

소량으로 사용하므로 기존 무기계 태양전지에 비해 소재 비용의 대폭적인 절감이 가능하다. 또한 소자 제작공정에 있어서도 유기물 자체의 손쉬운 가공성으로 인해 스크린 프린팅, 잉크젯, 그라비어 옵셋 인쇄 등 저가의 박막 및 대 면적 소자제작 방법을 응용할 수 있고, 롤투롤 공정에 의 한 유연성 소자의 제작이 가능하여 높은 생산성과 값싼 공 정 단가를 실현할 수 있다. 이런 의미에서 그동안 고순도 실리콘 등 무기계 실리콘 재료에 거의 전적으로 의지해 원 료 수급문제와 경제성 문제를 겪으면서 저가 박막 소자에 대한 필요성이 커지고 있는 태양전지 분야에서도 장기적 으로는 값싸고 다양한 응용성을 갖는 유기 박막 태양전지 의 도입이 하나의 대안이 될 수 있다.^1-3

유기 태양전지에 관련된 연구는 그림 1에서 확인할 수 있듯이 2000년 이후 연구가 급격히 증가했음을 확인할 수 있고, 용액공정으로 광활성층을 도입할 수 있는 고분자 태 양전지는 2000년 초 PPV계 고분자를 PCBM과의 bulk- heterojunction 개념을 도입함으로서 의미있는 수준의 효 율을 얻기 시작하여, P3HT를 광활성층으로 사용함으로써 4~6%의 효율을 일반적으로 얻을 수 있게 되었고, 이러한 결과는 학계와 산업계의 관심을 끌어 새로운 소재와 소자 구조를 개발하려는 시도들이 2005년 이후 본격적으로 시 작되었다고 할 수 있다. 고분자 태양전지의 효율 또한 2005년까지 1~2%의 범위를 벋어나지 못했던, PPV와 P3HT 이외의 신규 고분자를 이용한 태양전지의 효율이

급격히 증가하여 올해 초에는 Polyera에서 9.1% 효율을 언론에 발표하였다. 본 글에서는 이러한 차세대 신형 태양 전지로서의 유기 재료의 구조와 유기 태양전지의 효율과 의 관계, 현재의 개발 동향, 그리고 발전 방향에 대해 살펴 보고자 한다.

2. 본론

태양전지의 효율은 전류-전압 곡선으로부터 계산된다. 그 림 2로부터 에너지 전환 효율(power conversion efficiency, PCE)은 다음과 같은 식으로 정의된다.⁴

PCE = FF ×

V

( FF =

V

P

J

여기에서 Voc는 태양전지의 개방 전압, Jsc는 단락전류,

FF는 fill factor, P

유기 태양전지의 효율을 결정하는 세가지 인자, 개방전 압, 단락전류, 필팩터와 광활성층의 유기재료의 분자 구조 와의 관계에 대해서는 아직까지 논란의 여지가 남아 있지 만 일반적으로 받아지고 있는 사실을 토대로 광활성층의 전자 주개인 유기 재료의 구조와 연관되는 개방전압 및 단

그림 3. 고분자 골격과 HOMO 및 개방 전압과의 관계.

그림 2. 유기 태양전지 파라미터.

Wavelength Max. % harvested(280 nm →) Current density(mA cm

)

500 8.0 5.1

600 17.3 11.1

650 22.4 14.3

700 27.6 17.6

750 35.6 20.8

800 37.3 23.8

900 46.7 29.8

1,000 53.0 33.9

1,250 68.7 43.9

1,500 75.0 47.9

표 1. 외부회로에서 모든 광자가 하나의 전자로 전환된다고 가정할 때 280 nm에서부터 명시된 파장까지 빛을 흡수하는 태양전지에서 이용할 수 있는 최대 전류 밀도

그림 4. Acceptor에 따른 고분자 HOMO 에너지 준위의 변화.

락전류 조절을 위한 여러가지 요소들에 대해 이야기해보 고자 한다.

2.1 개방전압(Open Circuit Voltage,

V

유기 태양전지에서의 개방전압은 대부분 전자 주개의 최고준위 점유 분자궤도(highest occupied molecular orbital, HOMO)와 전자 받개의 최저준위 비점유 분자궤 도(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO)에 차 이에 의해 결정된다.^5-6 그렇기 때문에 전자 주개인 고분자 의 HOMO 준위가 낮을수록 개방전압이 높아지는 경향을 보인다. 일반적으로 유기 태양전지의 사용되는 고분자 중 에 polyfluorene, polycarbazole, polydibenzosilole 계열

들이 낮은 HOMO 준위를 가지면서 유기 태양전지에서 0.8 V 이상의 값을 보이고 있으며, polybenzo-1,2-b:4,5-b’

dithiophene 계열의 고분자가 0.65-0.80 V정도의 값을 보 이고 있으며, polythiophene 계열의 고분자인 경우에는 현재까지는 가장 높은 HOMO 준위를 가지면서, 유기 태 양전지에 응용 시에 0.65 V이하의 개방전압을 나타내고 있다(그림 3).

물론 고분자의 기본 골격으로 어느 정도 개방전압의 분 포도를 알 수 있지만 현재 가장 많이 사용되는 push-pull 시스템의 고분자 골격에서의 acceptor를 변화시키는 방식 (그림 4),⁷ 곁사슬의 변화를 통한 방식,⁸ 아니면 제 3의 모노 머를 도입한 terpolymer 방식을 통해서 HOMO 준위를 낮춤으로써 개방전압의 향상을 유도할 수도 있다.⁹

2.2 단락전류(Short Circuit Current,

J

단락전류라는 것은 유기 태양전지의 메커니즘을 고려 할 때 결국 태양으로부터 들어오는 광자(photon)를 얼마 나 많이 흡수하냐가 일차적인 요건이라 할 수 있다(표 1).

그림 5에서 보는 바와 같이 태양으로부터 들어오는 태양

그림 6. Push-pull 타입의 고분자 골격 안에서의 낮은 에너지 밴드갭을 유도 하는 donor와 acceptor의 오비탈 상호작용.

그림 5. 태양 스펙트럼과 고분자 흡수 스펙트럼.

(a) (b)

그림 7. (a) aromatic 형태와 quinoid 형태를 resonance로 갖는 고분자 구조. 왼쪽과 오른쪽 원은 aromatic과 quinoid 형태의 상태적인 분포를 나타냄.

(b) 에너지 밴드갭을 조절하는 여러 가지 방식.

스펙트럼은 장파장 쪽으로 갈수록 광자가 많이 분포하기 때문에 유기 태양전지에서의 빛을 흡수하는 역할을 하는 고분자도 이론적으로 낮은 밴드갭을 가질수록 효율면에서 좋다고 할 수 있다.

밴드갭을 조절하는 방법은 여러 가지가 있으나 그 중에 서 가장 일반적인 방법 중에 하나는 퀴노이드(quinoid) 형 태를 resonance 형태로 갖는 구조를 도입하는 방식을 많 이 사용하고 있다. 이러한 구조의 특징은 aromatic 형태와 퀴노이드 형태의 resonance를 갖으면서 π전자가 비국소 전자(delocalized electron)로서 고분자 골격 전체에 분포 하게 된다. Aromatic 형태와 퀴노이드 형태의 비율에 따 라서 이들 간의 bond length alternation(BLA)이 달라지 게 되며, 기저 상태(ground state)에서 aromatic 형태가 지배적일 때에는 BLA가 큰 값을 가지게 된다. Aromatic

형태와 비교했을때, 퀴노이드 형태가 에너지적으로 덜 안 정하여 aromatic 형태보다 낮은 에너지 밴드갭을 가지기 때문에 기저상태에서 퀴노이드 비율이 더 많이 분포할 때 에는 그만큼 낮은 에너지 밴드갭을 가질 확률이 높다.¹²

앞의 방식과 유사한 방식으로 고분자의 골격이 평면성 을 유지하면 또한 평행한 p-오비탈들 간의 상호작용으로 conjugation length의 증가를 유도할 수 있기 때문에 이러 한 방식으로도 낮은 밴드갭을 유도할 수도 있다. Roncali 교수는 bithiophene에 bridge system을 도입함으로써 1.1 eV의 밴드갭을 갖는 물질을 개발하기도 하였다.¹³

많은 참고문헌에서 유기 태양전지에서의 고분자는 낮 은 밴드갭을 가질수록 좋다고는 하지만, 사실은 낮은 밴드 갭이라기 보다는 폭넓은 흡수 스펙트럼을 갖는 고분자라 는 말이 더 맞는 말이라 할 수 있다. 흡수 스펙트럼의 폭을

그림 8. 다양한 polycyclic aromatic 화합물.

넓힘으로써 단파장에서부터 장파장까지의 광자를 폭넓게 흡수할 수 있다. 현재 유기 태양전지용 고분자의 가장 기 본적인 골격이 되어버린 구조가 고분자를 electron-rich donor(D) unit과 electron-deficient acceptor(A) unit의 반복적으로 도입하여 앞서 이야기한 것과 유사한 방식으 로 quinoid mesomeric structure(D-A → D⁺=A^-)에 의해 고분자 골격에 비국소전자를 형성하여 BLA를 감소시켜 에너지 밴드갭을 줄이는 방식이 많이 이용되고 있다(그림 6). 그림 7은 에너지 밴드갭을 조절하는 다양한 방법들을 나타내었다.

2.2.2 정공이동도

유기 태양전지에서의 정공-전자 생성 메커니즘을 고려 할 때, 정공과 전자의 이동도 또한 유기 태양전지의 효율과 직접적인 관련을 맺고 있다. 정공과 전자의 이동 밸런스가 맞 지 않으면 이들간의 재결합(recombination)으로 인해 생성 된 정공과 전자의 손실을 발생시키는 결과를 초래하게 된다.

일반적으로 유기 태양전지 시스템에서는 전자의 이동보다는 정공의 이동이 낮기 때문에 고분자의 정공이동도를 높이는 방안이 필요하다. 고분자의 정공이동도를 높이는 가장 효과적인 방법은 평면성(coplanarity)을 갖는 구조를 도입하는 것이다.

평면성이 높을수록 고분자-고분자간의 강한 π

-

2.2.3 용해도

고분자를 이용한 유기 태양전지는 대부분 습식 공정으 로 진행되기 때문에 고분자에 대한 유기 용매의 용해도는 상당히 중요한 이슈이다. 아무리 뛰어난 구조와 합성 단계를 통하여 고분자를 만들어도 결국에 녹지 않는다면 모든 노력 은 허사로 돌아가게 된다. 주어진 고분자의 용해도 정도는 중합도(degree of polymerization), aliphatic 그룹의 알킬

체인 길이, 고분자에 붙어 있는 치환체의 극성(polarity), 고 분자 골격의 단단함(rigidity), polymer regioregularity, 그리고 고분자 체인 간의 상호작용 등에 의해 영향을 받는 다. 용해도는 공정뿐만 아니라, 결정성(crystallinity), phase behavior, microscopic morphology, 그리고 다른 활성층 성분들 간의 상호 작용 등의 물리적 매개 변수에 직접적인 영향을 주어 결국에는 유기 태양전지의 성능에 영향을 미치 게 된다. 고분자 사슬간의 강한 π-π stacking interaction 을 가지고 있는 polyaromatic conjugated polymer의 경 우에는 잘 녹지 않는 경향성을 보인다. 고분자의 용해도를 향상시키기 위한 가장 효과적인 방법은 aliphatic 그룹을 곁사슬에 도입하는 방식이 일반적이라 할 수 있다. 알킬 체인 도입시 선형보다는 가지가 있는(branched) 알킬 체 인이 더 효과적으로 용해도를 향상시킬 수 있으나, 고분자 의 홀전도체 비율보다 절연체인 알킬 체인의 비율이 증가 할 경우 전하 이동도가 악화되는 문제점이 생긴다. 결국 고분자 구조-특성 관계를 고려해서 고분자 구조를 디자인 할 경우, 적합한 위치에 알맞은 용해도를 증가시킬 수 있 는 그룹을 도입하는 현명한 선택이 필요하다 할 수 있다.

2.3 고분자 구조 설계의 한계

유기 태양전지용 고분자의 습식 공정을 위한 유기 용매 에 대한 용해도 향상을 위해서는 결국에는 곁사슬에 알콕 시나 알킬기를 도입하는 것은 어느 정도 불가피한 방법이 다. 그러나 고효율의 유기 태양전지를 위해서는 고분자 간 의 강한 π

-

-

그림 9. 전자 주개 모노머의 광화학적 안정성. 그림 10. 전자 받개 모노머의 광화학적 안정성.

정해 볼 필요가 있다.

또한 앞서 언급한 것처럼, 일반적으로 정공이동도의 경우, thiophene이 들어간 전자재료가 phenyl기가 들어간 고분 자보다 높은 정공이동도를 보인다. 그러나 반대로 thiophene 은 phenyl기 보다 electron이 풍부하기 때문에 HOMO 준 위가 높게 나타나는 특징을 보인다. 이것은 low bandgap을 추구하기 위한 방안 중에 하나이나, HOMO 준위가 올라 간다는 것은 결국 개방전압과 연관되기 때문에 이런 정공 이동도를 높이고 낮은 에너지 밴드갭을 위한 방안은 개방 전압의 손실이라는 문제점을 떠안고 진행할 수밖에 없다.

2.4 안정성

지금까지 유기 태양전지의 효율을 위해 수많은 고분자 들이 설계되고 개발되었다. 그러한 노력으로 높은 용해도, 낮은 에너지 밴드갭, 강한 광흡수력, 적절한 HOMO와 LUMO 에너지 레벨, 그리고 높은 전하 이동도를 갖는 고 분자 개발을 이끌어 상용화에 바짝 다가섰다. 이러한 상용 화를 위해서 그 다음 해결해야 할 것이 안정성이다. 좋은 프 로세스, 충분한 광화학적 안정성(photochemical stability), 그리고 소자 안정성이 갖추어진다면 유기 태양전지의 상 용화 시기가 더욱 빨라질 것으로 보인다. 광화학적 안정성 은 결국 분자 구조에 영향을 받는다고 할 수 있다. ²⁰

유기 태양전지 초창기에 가장 많이 사용되었던 고분자 들은 대부분 homopolymer로서 대표적으로 poly(2-methoxy- 5- ( 2’ - e t h yl he xy l o x y) - 1, 4- ph e ny l e n e v i n yl en e ) (MEH-PPV), poly(2-methoxy-5-(3’,7’-dimethyloctyloxy)- 1,4- phenylenevinylene)(MDMO-PPV), 그리고 poly(3- hexylthiophene)(P3HT)를 들 수 있다. 이 고분자들은 vinylene 결합이나 alkoxy 치환체를 가지고 있어 side-chain cleavage 로 인한 라디칼 반응으로 안정성이 떨어지는 문제점이 있 다. 이러한 취약한 안정성은 vinylene 결합을 thiophene 등으로 치환함으로써 어느 정도 해결할 수 있다.

현재 가장 많이 이용하는 push-pull type의 고분자에서 는 전자 주개 및 전자 받개 구조에 따라 광화학적 안정성

이 달라질 수 있다. 전자 주개로 사용되는 고분자 중에 quaternary carbon을 가지고 있는 경우 쉽게 산화되는 특 징을 가지고 있다. Fluorene이나 cyclopentadithiophene (CPDT) 등이 quaternary carbon을 가지고 있으며 이들은 쉽게 산화되어, 아직 논란의 여지가 남아 있지만 HOMO 준위가 올라가 안정성이 떨어지는 특징을 보인다. 이러한 문제점을 어느 정도 해결하는 방법으로 quaternary carbon 을 silicon원자로 치환할 경우, HOMO 에너지 준위를 낮춰 산화 안정성을 향상시킬 수 있다. 그러한 예로 silicon-bridged cyclopentadithiophene(Si-CPDT)를 들 수 있으며 CPDT 보다 어느 정도 높은 안정성을 갖는 결과를 보였다. 또한 전자 주개 물질 중에 Csp3-N이 존재하는 구조가 광화학적 안정성이 떨어지는 특징을 보이며 이는 C-N bond가 라디 칼 형성에 따른 산화를 보이기 때문이다.²¹ 이러한 예로는 carbazole 단량체를 들 수 있다. 세번째로, 알콕시 곁사슬 이 있는 경우 쉽게 빛에 의해 끊어지기 때문에 일반적으로 고분자의 안정성에는 부정적인 효과를 보이지만 앞서 이 야기한 C-N bond가 conjugated backbone에 영향을 주는 반면에 알콕시 곁사슬의 경우에는 끊어지더라도 고분자 골 격에는 큰 영향을 미치지는 않는다. 결국 곁사슬이 없고 다른 치환체가 안 붙은 thiophene이 가장 좋은 안정성을 보이는데 이보 다 더 큰 안정성을 보이는 것이 알킬 체인 등이 치환되지 않은 polycyclic aromatic 단량체, 다시말해 benzodithiophene이나 dithienothiophene이 어느 정도 높은 광화학적 안정성을 보 이고 있다(그림 9).

광화학적 안정성은 전자 받개의 구조에도 영향을 받는데, 앞서 이야기했던 전자 주개 모노머의 안정성과 비슷한 경향 을 보인다. 즉, 고분자의 HOMO 에너지 준위를 낮추는 전자 주개가 더 좋은 광화학적 안정성을 보여, benzothiadiazole 보다는 thienopyrazine 단량체가 더 좋은 안정성을 보인다.

또한 현재 가장 높은 효율을 보이는 benzodithiophene (BDT)계 고분자에 들어가는 ester기나 ketone기가 치환된 thienothiophene 물질이 전자 받개 물질로 많이 사용되는 데, 이들은 빛에 대한 안정성이 떨어지며, ketone 같은 경우

그림 11. 7% 이상의 효율을 보이는 고분자 구조.

에는 Norrish 반응을 포함하는 과정에 의해 불안정한 특 징을 보이고 있다.²² 전자 주개와 마찬가지로 전자 받개도 곁사슬이 안 들어간 구조가 좋은 안정성을 보이며, 곁사슬 에서는 CO2R < OR < H 순으로 안정성이 좋아지는 연구 결과가 발표되기도 하였다(그림 10).

2.5 연구동향

유기 태양전지에 대한 관심이 증대되었던 지난 1년 동 안 일어난 일들 중 가장 관심을 끌었던 소식은 한동안 유 기 태양전지 분야를 리딩해 왔다고 할 수 있는 미국의 벤 처기업인 Konarka 사가 지난 6월 초 파산을 신청했다는 것이다. 물론 수년간 생산제품이 없이 투자에만 의존하던 벤처기업이 최근 세계적 경제불황의 파고를 이겨낼 수 없 었을 것이지만, 유기 태양전지 분야에서는 충격적인 소식 이라고 할 수 있다. 반면 영국의 켐브리지대학에서 창업되 어 나온 Eight19이라는 벤처회사에서는 유기 태양전지를 롤투롤 방식으로 생산하여 LED 램프와 리튬이온배터리 를 하나의 유닛으로 묶어 남부수단, 케냐, 말라위, 잠비아 등에 판매를 시작하였으며, 올해 남부수단의 Nimule에 1,000 유닛을 공급할 계획을 가지고 있어, 이는 최초의 상 업적 적용 예라고 할 수 있겠다. 또한, 2011년 이전에는 Konarka, Solarmer, Plextronics 등의 몇몇 기업에서 주

도해오던 고분자 태양전지 분야가, 최근 1년 사이에 다른 기업 및 벤처들의 활발한 활동으로 이어졌다. 앞서 언급한 Polyera에서 올해 초 고효율의 고분자 재료 개발을 보고 하였고, Eight19에서는 직접 생산 판매를 진행하고 있으며, 일본의 미스비시케미컬에서 포피린 소재를 사용하여 10.1%

의 고효율 유기 태양전지 개발을 보고하였고, 스미도모케 미컬에서 개발한 낮은 밴드갭 소재를 이용하여 텐덤셀로 10.6%의 효율을 얻었다고 공동연구기관인 UCLA에서 발 표하기도 하는 등 유기 태양전지의 저변이 확대되었음을 확인할 수 있다.²³ 그림 11은 최근 유기 태양전지에서 7%

이상의 고효율을 나타내는 고분자의 구조를 나타내었다.

그림 12는 유기 태양전지 기술 분야 특허를 대상으로 text mining 기법을 통하여 세부 기술 분포도를 살펴본 결 과이다. 등고선 맵의 상단 및 좌측 하단에 위치한 HTL, ETL, Fullerene derivative, 및 active layer material 등의 특허군은 신규 소재와 cell structure 및 morphology와 관 련된 것으로 신규 소재를 확보한 상태에서 소자의 제작 기 술 및 광활성층의 morphology 형성에 영향을 끼치는 기술 들이 매우 중요한 기술요소임을 보여주고 있다. 등고선 맵의 가운데 위치한 metal oxide, device fabrication, cathode, anode 등은 유기 태양전지 소자의 버퍼층, 전극 및 소자제 작에 관련된 내용으로, 등고선 맵의 상단 및 좌측 하단에 넓

그림 12. 유기 태양전지 특허 등고선 맵.

게 분포한 광활성층 신규 소재에 비해서는 상대적으로 적 은 부분을 차지하고 있으나, 신규 소재의 효율이 적정수준 에 오른 최근에 이르러 보다 상업화에 가까운 소자구조에 관련된 일들이 많이 진행되고 있음을 시사 한다. 전체적인 맵에서 차지하는 비중을 보면 광활성층이 대부분을 차지하 고 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은 신규 광활성 소재 또 는 광활성소재의 morphology 조절 등을 통한 유기 태양전 지의 고효율화에 관한 연구가 가장 많이 진행되어왔다는 것을 보여주는 것이라고 할 수 있겠다.

3. 결론 및 전망

2011년 유럽발 재정 위기로부터 촉발된 수요 감소는 중 국의 과잉 덤핑 공급과 맞물리면서 세계의 많은 태양광 업 체들이 도산되거나 구조 조정에 직면해 있으며 올 2012년 까지는 그 여파가 계속되리라고 예측되고 있다. 그간 세계 1~2위의 태양전지 제조업체이던 독일의 Q-Cell과 미국의 First Solar, 중국의 Sun Tech 등이 대규모의 적자에 허덕 이고 있고, 국내의 대다수 업체들도 가동을 중지하거나 최 소한의 명맥을 유지하고 있으며, 신규 생산설비 투자들도 대부분 유보된 상태에 있다. 하지만 작년 한해 40% 대의 가격 하락을 보이며 수십년간 이 분야의 꿈이었던 모듈 가 격 1$/Wp 의 벽을 넘어 서게 되었다. 이처럼 실리콘 태양 전지 1$/Wp 이하 시대의 외부 거센 도전과 효율 증가, 그 리고 내구성 확보라는 기술적 요인 등을 흡수할려면 유기

태양전지 분야가 현재보다 몇 배의 연구 개발 노력이 요구 되는 것은 사실이나 기존의 실리콘이나 무기계 태양전지 와는 달리 유기 박막 태양전지는 유기 재료의 손쉬운 가공 성과 다양성, 저렴성으로 인해 여러 가지 코팅 및 인쇄 기 술을 적용하여 저가의 박막 및 대면적 소자를 제작할 수 있고, 또한 롤투롤 공정에 의한 유연성 소자의 제작이 가 능하여 높은 생산성과 값싼 공정 단가를 실현할 수 있다.

따라서 차세대 플렉시블 전자 소자나 이동용 정보 전자 기 기의 전력원, 군수용, 건물 창호 등에 폭넓은 응용이 기대 되는 소자로, 현재 미국, 일본, 유럽연합 등 선진국을 중심 으로 많이 연구되고 있으며, 국내의 수준도 짧은 연구 역 사에 비해서 상당한 수준에 도달해 있는 상태이다. 태양전 지의 전반적인 시장과 기술 발전 추이에 비춰볼 때 현재의 유기 박막 태양전지 기술은 기존의 다른 무기박막 전지들 에 비해 개발 초기단계에 있음을 부인할 수 없으나, 최근 2~3년 사이 고성능 신소재들의 개발에 힘입어 2015년 이 내 실용화라는 중기 타겟이 가능할 것처럼 여겨진다. 그러 나 10% 이상의 에너지 전환 효율을 얻기 위해서는 전하 이 동속도가 더욱 향상되고 밴드갭이 작은 신규 donor 소재, 이 donor 물질에 최적화된 밴드갭과 에너지 준위를 갖는 acceptor 소재, 버퍼 소재 등의 신소재 개발과, 박막의 나 노 morphology와 소자구조의 최적화, 고성능 탠덤소자 개발 등 이전보다 한 차원 높은 발상의 전환이 요구되고 있다. 또한 내구성 향상을 위한 encap 기술과 성능 저하 없이 대면적화 할 수 있는 인쇄 기술들이 향후 중요한 화 두가 될 것으로 보인다. 따라서 이들 핵심적인 신소재, 신 소자화 기술 등과 함께 OLED 등 이미 산업적 기반을 갖고 있는 국내의 연구개발력을 최대한 활용한다면 멀지 않은 장래에 세계를 선도할 또 하나의 신성장 동력 창출도 가능 할 것으로 생각된다.

참고문헌

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