플렉서블 유기태양전지의 현황 및 전망

유기태양전지

글 : 윤성철 선임연구원 / 화학소재연구단 소자나노재료 연구센터한국화학연구원 / www.krict.re.kr연간 지구상에 도달하는 전체 태양 에너지의 양은 약 4×1024 J정도이며, 2001년 기준으로 지구 전체의 에너지 소비량은 약 4X1020 J 정도이다. 즉, 약 1/10,000의 태양광을 변환하면 인류의 에너지 문제를 해결할 수 있으며, 무엇보다 무공해 에너지원이라는 장점이 있다. 이러한 이유로 인해, 실리콘 태양전지 시장은 지난 10여 년 동안 연 평균 약 40%의 높은 성장률을 기록하여왔으며, 2015년에 이르러서는 반도체용 실리콘 시장규모를 능가할 것이라는 예측까지도 나오고 있는 상황이다.하지만, 실리콘 태양전지의 대중화의 최대 장애요인은 역시 경제성이다. 지난 3월 대우증권 리서치센터의 발표에 따르면, 일반 가정에서 3 kW급의 태양전지를 설치하기 위해서는 정부보조금을 감안하더라도 약 1,146만원이 소요되며 이를 10년간 회수하기 위해서는 월간 약 500kW이상의 전력을 소비해야 한다고 한다. 이는 우리나라 전체 가구의 약 2.9%에 해당하여 경제성면에서는 아직까지 많은 숙제를 남기고 있다는 것을 알 수 있다(그림 1).유기태양전지의 필요성이러한 이유로 인해, 기존의 단결정 실리콘 태양전지의 높은 제조원가를 개선하기 위한 다양한 시도들이 진행되고 있는데, 다결정 실리콘, 무정형 실리콘, CIGS 등의 박막형 태양전지와 염료감응형 태양전지 및 유기태양전지 등이 그중의 하나이다. 특히, 유기태양전지의 경우, 투명전극과 양극사이에 p-형과 n-형 유기반도체 재료를 광활성층으로 이용하는데, 유기재료의 특성상 분자구조를 자유자재로 변형할 수 있다는 장점으로 인해 고효율 신규 재료의 개발 가능성이 매우 높고, 이를 통해 보다 우수한 효율의 유기태양전지를 제조할 수 있을 것으로 기대되어 그 관심이 커지고 있다. 더욱이, 유기태양전지의 경우, 단순한 소자구조로 인해 제조공정이 간단하고 모듈화가 용이하며, 단위소자와 모듈간의 에너지 손실이 적으며, 흡광계수가 높아서 100nm의 얇은 두께의 박막에서도 50% 이상의 빛을 흡수할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 궁극적으로 플렉서블 기판을 이용한 롤투롤 공정을 구현할 경우, 기존 무기계 태양전지에서는 상상할 수 없는 획기적인 원가절감이 가능할 것으로 기대되어 최근 대기업들도 기술개발에 참여가 가시화되고 있다.하지만, 현재까지 유기태양전지는 에너지변환효율이 낮은 단점이 있다. 그림 2는 박막형 태양전지의 소자효율 변화를 연도별로 보여주는데, CIGS나 무정형 폴리실리콘(a-PS) 및 염료감응형 태양전지(DSSC)들과 비교하여 소자의 효율이 1/2~1/4 정도로 낮은 게 사실이다. 하지만, 유기태양전지는 새로운 도너-억셉터 재료의 설계/합성을 통해 소자의 효율이 2000년 이후 매년 증가추세에 있어서 2010년 이후에는 염료감응형 태양전지와 동등한 10% 내외의 효율을 달성 할 수 있을 것으로 예측된다. 따라서, 유기태양전지의 시장은 다른 유기전자소자들과 비교하여 보다 높은 성장세와 함께 보다 큰 규모로 성장할 것으로 기대되고 있는데, 2015년 이후에는 디스플레이용 OLED의 절반규모로, 2020년에는 디스플레이 및 조명용 OLED 시장규모를 능가할 것으로 예측하고 있다(그림 3).광전변환의 원리빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 광전변환효과(Photo voltaic effect)는 이미 잘 알려져 있다. 유기태양전지의 경우에는 크게 4가지 단계를 통해 광자가 전자로 변환되게 되는데, 다음에서 보는 바와 같다. 첫째, 빛을 흡수하여 엑시톤이 생성되는 과정, 둘째, 생성된 엑시톤이 도너/억셉터의 계면으로 확산되어 가는 과정, 셋째, 도너/억셉터의 계면에서 정공과 전자로 분리되는 과정, 마지막으로 분리된 정공과 전자들이 각각 음극과 양극으로 이동하여 전류를 발생시키는 과정이다. 공액계 육기반도체 재료들은 기본적으로 매우 높은 흡광계수를 갖고 있는데, 이로 인해 약 100nm의 박막으로도 첫 번째 단계에서의 빛을 흡수하여 엑시톤을 형성하는 효율은 50% 정도로 높다. 하지만, 유기반도체는 생성된 엑시톤이 확산할 수 있는 거리가 고작 20nm 이내로 짧은데, 이 얘기는 빛을 받아 생성된 엑시톤이 20nm 안에서 억셉터와의 계면을 만나지 못하면 소광되어 버리게 된다는 것을 의미한다. 따라서, 유기태양전지 소자를 제작할 때 가장 중요한 사항이 도너와 억셉터 즉, p-n 접합이 유리한 박막을 구현하여야 한다는 것이다. 그래서, 두 번째 단계인 엑시톤의 확산과정에서는 대략 10%의 낮은 효율을 보여주게 된다. 이 이외의 세 번째와 네 번째 단계인 전하분리(charge transfer)과정과 전하의 축적(charge collection)과정은 유기반도체의 경우에도 거의 100%에 가깝게 도달할 수 있는 것으로 알려져 있다(그림 4).그 결과, 광전변환효율은 상기의 4단계의 효율의 곱으로 표현될 수 있으며, 빛을 흡수하는 효율(ηA)과 엑시톤이 확산하는 효율(ηED)의 곱에 비례하게 되어 수식과 같이 표현될 수 있다. 여기서, 1/α는 광학적인 흡수 가능한 두께이며, LD는 엑시톤의 확산거리, d는 광활성층의 두께이다.ηA = (1-e-αd)ηED=e-d/LDηIQE ∝ ηA × ηED = (1-e-αd)e-d/LD따라서, 생성된 엑시톤이 보다 효과적으로 확산하여 도너와 억셉터의 경계까지 도달하도록 하는 것이 유기태양전지의 효율을 높일 수 있는 방법이 될 수 있을 것이며, 이러한 측면에서 진공증착을 통해 제작된 이층구조의 소자대비 고분자 도너와 플러렌계 억셉터를 이용하는 소자가 용액공정에 의해 벌크헤테로정션(Bulk heterojunction)을 보다 잘 형성하여 적절한 계면과 채널이 형성되어 최적의 소자특성을 발현할 수 있게 된다.유기태양전지의 역사공액계 유기반도체 재료를 이용하는 유기태양전지는 1986년 Eastman Kodak사의 C.W. Tang 박사의 소자가 발표됨에 따라 그 가능성이 높아지기 시작했다. 당시, CuPc와 perylene diimide 계열의 p-형과 n-형 유기반도체 재료를 ITO 투명전극과 Al cathode사이에 진공 증착하여 bilayer를 형성함으로써 AM1.5G 조건하에서 1% 가량의 에너지 변환효율을 달성하였다. 이 결과는 당시로서는 매우 획기적인 진보였는데, 유기반도체의 p/n 접합을 통한 광전효율의 개선이 가능하다는 것으로 20여년이 지난 현재 약 6.5% 정도까지 개선되었으며, 비공식적으로는 이보다 높은 수준의 에너지 변환효율의 결과들이 발표를 기다리고 있다고 한다.유기 태양전지는 소자 제작 공정에 따라서 진공증착을 통한 소자와 용액공정을 통한 소자로 구분된다. OLED의 경우, 진공증착을 통한 소자가 먼저 상업화되었지만, 유기태양전지의 경우에는 용액공정을 통한 소자가 도너와 억셉터 사이의 벌크헤테로정션(Bulk Heterojunction)을 잘 형성하여 그 특성이 보다 우수한 것으로 알려져 있다. 따라서, 인쇄공정을 통한 저가/대면적 생산이 가능할 것으로 기대되며, 다음으로 용액공정을 통해 저가/대량 생산이 가능한 고분자 도너와 C60계 억셉터를 이용한 벌크헤테로정션 유기태양전지의 발전과정을 살펴보기로 하겠다.2003년 J.C. Hummelen 그룹에서는 P3HT와 PCBM을 혼합하여 0.2%의 광전변환효율을 보고하였다. 당시에는 PPV[poly(pheny lenevinylene)]계 도너재료가 많이 이용되고 있었으므로, PCBM과의 혼합비율은 1:4로 제작되었다. 이 결과는 같은 해에 F. Padingger 그룹은 P3HT와 PCBM의 혼합비를 1:1로 변경하고 광활성층을 75 oC에서 4분 간 annealing하는 방법을 통해 3.5%로 개선하였다. 그 후, C.J. Brabec, D.A. Carroll, Y. Yang, D.D.C. Bradley, G.C. Bazan, A.J. Heeger 등 다양한 그룹에서 열처리나 용매의 증발을 제어하는 방법을 통해 소자의 효율을 개선하였으며, 그 결과 2008년 현재 5% 이상의 효율을 달성한 것으로 보고되고 있다. 특히, Konarka사는 2006년 NREL에서 P3HT:PCBM의 광활성층을 이용해 1.024cm² 크기의 단위소자로 5.21%의 효율을 공인받았다. 또한, GIST의 이광희 교수팀과 UCSB의 A.J. He6eger 그룹에서는 신규 저밴드갭 도너(PCPDTBT)를 이용하여 tandem구조의 소자를 용액공정으로 구현하였으며, 6.5%의 광전변환효율을 달성하였다고 보고하였다.하지만, 저밴드갭 도너재료(PCPDTBT)는 Konarka사에서 개발한 재료로서 합성이 용이하지 않아 다른 그룹에서는 소자화하지 못하였으며, 더욱이 Konarka사에서도 동등한 품질을 얻는데 어려움이 있어 소자특성의 재현이 쉽지 않다고 한다. 필자의 연구팀에서도 수 회 합성을 완료하여 소자화하였으나, 분자량이 높지 않는 단점으로 인해 3%내외의 낮은 효율을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 신규 재료의 개발과 함께 기존 고분자 도너 재료의 품질을 안정화시키고, 양산화 할 수 있는 기술을 확보하는 것도 상업화를 위해 매우 중요한 일이라고 하겠다.유기태양전지 소자 특성그림 5에서 보는 바와 같이, 유기태양전지 소자는 매우 간단한 구조를 갖고 있는데, ITO 등의 투명전극 위에 p-형 유기반도체 재료인 도너와 n-형 유기반도체 재료인 억셉터를 일정한 비율로 섞어 스핀코팅 등의 용액공정을 통해 박막을 형성시킨 후, 진공증착 등의 방법으로 cathode전극을 형성하고 봉지하면 된다. 이렇게 간단한 소자구조와 제작공정으로 인해 롤투롤 인쇄공정을 통한 대면적/저가 제조공정의 구현이 가능하다. 하지만, 현재까지는 플렉서블 기판의 수분/산소 차단 특성이 좋지 않고, 플렉서블 기판상의 투명전극의 크랙문제나 높은 저항 등의 문제로 인해 롤투롤 적용이 늦어지고 있다. 하지만, 먼저 상업화된 OLED의 기술을 대부분 수정 없이 적용할 수 있고, OLED 대비 1/10 이하의 적은 전류가 유기태양전지 소자에 흐르는 등의 장점으로 인해 OLED 대비 보다 낮은 수준의 요구조건을 만족시키면 상업화가 가능할 것으로 기대된다. 특히, 디스플레이의 용도와는 다르게 단위 픽셀의 크기가 수 mm~수 cm의 수준이므로 ITO 투명전극의 금속 마스크를 이용한 직접 패터닝이 가능하여 높은 비중을 차지하는 기판의 원가를 획기적으로 낮출 수 있는 장점이 있다.유기태양전지 광활성층 재료플렉서블 유기태양전지용 공액계 유기반도체 소재는 그 역할에 따라서 크게 도너(donor)와 억셉터(acceptor)로 구분되며, 각각 p-형 과 n-형 반도체 재료들이 이용된다. p-형 유기반도체는 빛을 흡수하여 엑시톤을 형성하고 n-형 반도체와의 정션에서 정공과 전자로 분리되어 전자를 잘 줄 수 있는 즉, 도너(donor)이다. 이때, n-형 유기반도체는 전자를 잘 받아들일 수 있는 재료, 즉 억셉터(acceptor)로서 쉽게 환원될 수 있는 재료들이 이용될 수 있다. 또한, 유기태양전지의 재료는 제조 공정에 따라 진공증착용 재료와 용액공정용 재료로 구분된다. 진공증착 공정에는 주로 저분자 또는 올리고머 수준의 진공증착이 가능한 재료들이 이용되며, 용액공정에는 고분자 재료들이 이용된다. 따라서, 유기태양전지의 종류도 제조 공정에 따라 구분될 수 있는데, p-형과 n-형 반도체 재료들이 각각 저분자-저분자, 고분자-고분자 및 고분자-저분자 등의 조합이 가능하다. 이 글에서 주로 다루어질 내용은 용액공정 특히, 인쇄공정을 통한 저가/대면적 유기태양전지를 목적으로 하기 때문에 고분자 도너와 저분자 억셉터의 용액공정이 가능한 재료들을 주로 다루도록 하겠다.그림 6에서 보는 바와 같이, 몇 가지의 도너와 억셉터 재료들이 보고되고 있으나, P3HT/PCBM 또는 PCPDTBT/PCBM 등을 제외하고는 3%이상의 효율을 얻기 힘든 것으로 알려져있다. 특히, 억셉터의 경우, 한국화학연구원에서 개발한 몇 가지 재료들(mKMC60s, dKMC60s)을 제외하고는 PCBM이 유일한 억셉터 재료였다. 억셉터 재료의 필수 구조인 플러렌계 화합물은 이미 무수히 많은 유도체들이 보고되고 있지만, 이들 중에서 유기태양전지의 억셉터로서 특성을 나타내는 재료는 PCBM 이외에는 거의 보고된 바 없다. 그러던 중, P.W.M Blom 그룹에서는 치환기를 두 개 포함하는 PCBM 유도체를 이용하여 Voc를 0.73 V로 개선하였다고 보고하였는데, 이 결과는 기존의 PCBM 대비 0.15 V정도 높은 Voc 값으로 에너지 변환효율도 3.8%에서 4.5%로 개선한 결과로서, 도너의 밴드갭 뿐 아니라 억셉터의 LUMO준위를 조절함으로써 Voc를 개선하여 효율을 증대할 수 있는 새로운 방향을 제시한 것으로 그 의미가 크다고 하겠다.또한, 미국 Plextronics사는 2007년 새로운 재료를 개발하여 0.856 V의 높은 Voc를 달성함으로써 5.42%의 에너지 변환효율을 달성하였다. 보다 상세하게 소자의 특성을 살펴보면, 유효면적은 0.1cm²이며, Jsc와 fill factor는 각각 9.7mA/cm²과 65.3%로 매우 우수한 결과임을 알 수 있으며, 현재까지 NREL에서 인증 받은 세계 최고 효율의 소자이다(그림 7).플렉서블 유기태양전지 투명전극용 고분자 소재일반적으로 유기전자소자용 투명전극으로는 ITO(Indium Tin Oxide)가 사용되는데, 롤투롤 공정을 통해 대량생산을 하기 위해서는 플렉서블 기판과 함께 플렉서블 투명전극이 필요하게 된다. 하지만, ITO는 결정성 무기박막이므로 휨이나 구부림 등의 스트레스를 받게 되면 크랙이 발생하여 전도특성을 상실하게 되고, ITO의 성막과정에서 기판에 가해지는 온도가 높아 Tg가 높은 고가의 기판재료가 이용되어야 한다. 이에 따라 플렉서블한 특성의 전도성 고분자재료를 이용한 투명전극의 개발이 많은 그룹에서 시도되어왔는데, 최근, 전도도가 300S/cm로 매우 높은 Baytron PH500을 anode로 이용하여 ITO를 대체한 결과에 의하면, ITO대비 거의 동등한 특성을 발현하는 것을 알 수 있다. 특히, O. Inganas 그룹에서는 Baytron PH500을 투명전극으로 이용하고, 표면거칠기를 좋게 하기 위해 Baytron P AI4083을 추가적으로 코팅하는 이중구조의 투명전극을 갖는 PET 기판과 APFO-3/PCBM을 광활성층으로 이용하여 PET상의 ITO 대비 80% 가량의 효율인 2.2%의 에너지 변환효율을 달성하였다고 보고하였다. 이 문헌에 따르면, 제조된 투명전극의 면저항이 230Ω/cm으로 기존 PET기판상의 ITO의 면저항(약 30Ω/cm)과 비교하여 많이 높은 수준인데 실제 소자의 효율은 80% 정도 발현되었다고 하니, 저가/대면적 플렉서블 유기태양전지용 투명전극으로서의 가능성이 있음을 시사한다고 하겠다. 물론, 플렉서블 유기태양전지용 기판재료에 대한 연구도 진행되고 있지만, 아직까지 PET에 국한되어 있으며, 산소나 수분의 차단율 등 기판소재로서 가져야하는 기본적인 특성에 대한 언급이 거의 없는 형편이다. 하지만, OLED대비 소자에 가해지는 전압이나 전류밀도의 양이 적으므로 광활성층의 유기 반도체 재료에 가해지는 스트레스가 상대적으로 적어서 덜 까다로운 요구조건을 만족하면 된다. 실제로, 실험실에서 유기태양전지 소자를 제작하여 측정해 보면, 별도의 봉지를 하지 않더라도 몇 번 정도 효율을 측정하는 동안에는 효율의 감소가 거의 없는 것을 확인할 수 있어서 이러한 가정을 뒷받침한다고 하겠다. 또한, OLED의 기술이 진보함에 따라서 유기태양전지에 여과없이 적용할 수 있는 기술이 많기 때문에 상업화의 시점이 보다 가까워질 가능성도 배제할 수 없다고 사료된다. 이외에도 다른 공액계 전도성 고분자 재료나 나노입자, 나노막대 등의 분산을 통한 방법으로 보다 저렴한 투명전극의 구현이 가능하게 되면 유기태양전지의 원가를 획기적으로 낮출 수 있어 비록 소자의 효율은 낮지만, 발전 단가면에서 다른 무기계 태양전지들과의 경쟁이 충분히 가능할 것으로 보인다.플렉서블 유기태양전지 상업화를 위한 과제 및 전망전술한 바와 같이, 유기태양전지를 상업화하기 위해서는 풀어야할 몇 가지 기술적인 숙제들이 있다(그림 8). 크게 세 가지로 구분할 수 있는데, 첫째, 소자의 효율을 7-10%정도로 향상하여야 하며, 둘째, 소자의 수명을 5년 이상으로 증대시켜야 하고, 셋째, 연속 인쇄공정을 통해 제조되어야 한다. 먼저, 소자의 효율은 저밴드갭 도너를 개발하여 보다 넓은 영역의 태양광을 흡수할 수 있도록 하고, 억셉터 재료의 전하 이동도를 높이고, 도너와 억셉터의 밴드갭을 조절하여 Voc를 개선함으로써 가능할 것으로 보인다. 또한, 소자구조측면에서 tandem 구조를 실현하여 2층, 3층 구조의 소자를 제작하면 광손실을 최소화할 수 있고, Voc도 개선할 수 있어 효율이 증대될 수 있는 것으로 알려져 있다. 최근, Konarka사에서는 tandem 구조 소자의 효율을 높이기 위한 도너와 억셉터의 최적 HOMO/LUMO 에너지 준위를 계산하여 약 15%까지 효율을 향상시킬 수 있다는 보고를 하고 있어 그 기대가 더욱 높아지고 있다. 그 원리는 단파장영역을 흡수하는 밴드갭이 큰 도너와 장파장영역을 흡수하는 밴드갭이 작은 도너의 HOMO/LUMO 준위를 제어하여 억셉터 재료인 PCBM과 잘 매칭되도록 하면 15%의 이론적인 효율을 달성할 수 있으며, 광학적인 시뮬레이션을 통해 검증하였다(그림 9).다음으로, 소자의 수명증대를 위해서는 재료의 광학적, 화학적 안정성을 높여야 하며, 산소/수분 차단특성이 향상된 플렉서블 기판의 개발과 병행되어야 하는데, 다행스럽게도 기판이나 봉지기술은 OLED 분야에서 개발이 진행되고 있어 직접 적용이 가능할 것으로 보인다. 최근, Konarka사는 저가의 플렉서블 기판을 이용한 소자의 수명을 ECN(Energy Research Center of the Netherlands)에서 측정하여 그 결과를 발표하였다. 측정조건은 가속실험조건으로 어두운 상태의 65℃, 85% 습조도건에서의 65℃ 및 65℃ 1sun 등 3가지 조건 하에서 1,000 시간 경과 후 효율 감소를 측정는 방법을 취하였으며, 그 결과 세 가지 조건에서 80% 이상의 효율을 유지하는 것으로 얻어졌다(그림 10). 실제로, 유기태양전지와 거의 유사한 구조의 OLED의 경우, 단위소자에서 100만 시간 이상의 수명을 보고하고 있으므로, OLED대비 스트레스가 적은 유기태양전지는 수명의 요구조건을 충분히 달성할 수 있을 것으로 생각된다. 문제는 상업화를 위해서는 궁극적으로 플렉서블 기판을 이용해야 하는데, 고분자 필름의 수분/산소 차단특성을 얼마나 개선할 수 있느냐와 또 얼마나 저렴한 가격에 기판을 제조할 수 있느냐에 달려 있다고 하겠다.마지막으로, 가장 중요한 과제 중의 하나인 연속 인쇄공정개발과 관련하여 잉크젯 인쇄 및 그라비아, 옵셋 등의 롤투롤 인쇄기술의 유기태양전지 적용이 가능하게 되면 W당 0.5달러의 원가 실현이 가능할 것으로 보인다. (주)코오롱에서는 플렉서블 유기태양전지관련 신규 사업을 준비하면서 기존의 CIGS나 a-PS 등의 박막형 태양전지 및 염료감응형 태양전지 등과 원가분석을 실시하였으며, 그 결과 W당 0.343달러의 제조원가의 구현이 가능할 것으로 전망하고 있다. 이 결과는 100 MW급 발전용량을 기준으로 산출한 것으로서 3.6GW급의 a-PS이나 CIGS의 0.602달러와 0.516달러와 비교하여도 낮은 수준인데, 5%의 모듈효율을 달성하게 되면 상업화할 수 있는 가능성이 매우 높다는 것을 보여주고 있다(그림 11). 이처럼, 유기태양전지는 소자의 구조가 간단하고, 그로 인해 제조공정이 간단하며, 150℃ 미만의 저온공정이 가능하여 플렉서블 고분자 기판을 이용한 롤투롤 연속공정이 실현된다면 향후 에너지 변환효율이 높은 무기계 태양전지와 발전단가적인 측면에서도 높은 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.인쇄 유기태양전지따라서, 유기태양전지의 인쇄단위공정의 개발이 매우 중요하며, 인쇄공정의 경우, 대면적의 소자를 저렴하고 빠르게 제작할 수 있어서 유기전자소자의 제작 원가를 획기적으로 낮출 수 있을 것으로 기대되어 다양한 분야에서의 시도가 진행되고 있다. 특히, 유기태양전지의 경우, 디스플레이용도와는 다르게 미세한 패터닝 공정이나 고온에서의 열처리 등이 불필요하고, 기본적으로 용액공정이 수월하기 때문에 유기전자소자 중에서도 인쇄기법을 통한 소자구현에 장점이 가장 높은 분야이다.롤투롤 인쇄기법에는 몇 가지 방법이 있는데 그 중에서 그라비아 옵셋 인쇄는 초당 20m²의 면적까지 인쇄할 수 있는 장점이 있어 RF-ID태그 등으로의 적용이 시도되고 있으며, 대면적 유기태양전지에도 적합할 것으로 기대되며, 2008년 초부터 한국기계연구원에서 활발한 연구가 시작되었다. 하지만, 실험실 규모의 실험이 불가능하여 아직까지 이와 관련한 보고는 거의 없다. 따라서, 문헌상에 보고된 스크린 인쇄나 잉크젯 인쇄 등을 이용한 결과들을 알아보도록 하자.스크린 인쇄를 이용한 유기태양전지는 미국 애리조나 대학의 G.E. Jabbour 교수 연구팀은 MDMO-PPV/PCBM을 액티브층을 스크린 프린팅을 통해 박막화 한 소자로 27mW/cm²의 488nm 단색광하에서 4.3%의 효율을 보고하였다. 이후, 2005년 일본 마츠시다 전기에서는 MDMO-PPV/PCBM 혼합물을 이용하여 1.8~2.4%의 에너지 변환효율을 얻었는데, 동일 조건에서의 스핀코팅을 통해 제작한 소자와 비교하여 유사한 수준의 결과였다. 한편, F.C. Krebs 그룹에서는 200um의 PET 기판상에 MEH-PPV을 27um의 와이어 매쉬를 이용해 스크린 프린트 한 후, C60을 진공 증착하는 방법을 통해 655.2cm²의 대면적 모듈을 제작하였는데, 효율은 낮은 수준이었다. 이처럼, 인쇄공정을 통한 대면적 유기태양전지는 ITO 기판의 높은 저항에서 기인하는 선저항과 최적화되지 못한 인쇄공정상의 문제로 인해 아직까지 단위소자에서의 성능과 비교하여 미미한 수준임에 틀림없다.잉크젯인쇄를 통해 구현된 유기전자소자의 경우, 통상적으로 스핀코팅법에 비해 1/10 이하의 낮은 소자특성을 보여주는데, 중력에 의해 낙하한 잉크방울이 거의 자연증발 과정을 통해 박막을 형성하게 되고 잉크방울의 중앙부와 주변부의 용매 증발속도의 차이로 인한 coffee stain 등의 고르지 못한 표면을 얻게 되는데서 기인하는 것으로 생각된다. 따라서, 끓는점이 서로 다른 몇 가지 종류의 용매를 혼합하거나 격벽과 기판의 극성을 제어함으로써 보다 특성이 우수한 박막을 형성하려는 연구들이 진행 중이다.한편, 2005년 말 한국화학연구원에서는 70×70mm²의 대면적 ITO 유리기판을 이용한 소자를 인쇄 유기태양전지를 제작하였는데, ITO 기판을 패터닝한 후, 저항을 줄여주기 위해 Cr/Au로 버스전극을 증착하고, 여기에, PEDOT-PSS를 스핀코팅한 후, P3HT:PCBH (1:0.8)을 MicroFab사의 30um 크기의 단일노즐 장비를 이용하여 잉크젯 프린트하고, 그 위에 LiF/Al을 증착해 cathode 전극을 형성한 후, 유리캡을 이용해 봉지한 후, 150℃에서 5분간 annealing하였다. 100 mW/cm² AM 1.5G하에서 J-V 특성을 관찰하였으며, 그 결과 단일 셀에서 Voc는 0.57V, Jsc는 1.89 mA/cm², FF는 31%, PCE는 0.67%로 얻어졌다. 단위소자에서 4.4%이상의 효율을 보여주던 도너와 억셉터 조합인 점을 감안하면, 대면적화에 따른 효율감소가 크며, 각 셀의 균일도에서도 차이를 보였으며, 결과적으로, 3개, 4개 5개의 셀들을 연결하여 측정한 결과 효율은 0.93, 0.66 및 0.54%인 것을 알 수 있었다. 비록, 전체 효율이 0.54%로 단위소자의 결과에는 미치지 못하였지만, 이와 같은 방식으로 모듈화하면 직렬연결을 통한 전압증가가 가능하며, 또 넓은 면적에서의 소자 제작을 위한 몇 가지 참고사항을 제공할 수 있을 것 이다. 이렇게 제작된 소자는 2V 이상에서 발광하는 LED 다이오드를 연결하여 빛이 나는 것을 확인하였다.2007년 12월 Konarka사에서는 PEDOT-PSS층을 바코팅한 표면상에 o-dichlorobenezene과 mesitylene을 혼합한 용매를 이용해 P3HT:PCBM을 잉크젯 프린트하여 20mm²의 면적에서 2.9%의 효율을 달성하였으며, 그림 12에서 보는 바와 같다. 이 결과는 그 동안 잉크젯 인쇄를 통해 제작한 소자의 효율을 획기적으로 높인 결과로서 잉크젯 인쇄공정이 유기태양전지의 제조에 적용 가능하다는 것을 보여준 결과로서 그 의미가 크다고 하겠다.한편, 한국화학연구원에서는 2008년 초 PEDOT-PSS층을 스핀코팅하고 P3HT:PCBM의 광활성층을 잉크젯 인쇄하고 LiF/Al cathode 전극을 진공증착한 후, 150℃에서 annealing 함으로써, 100mW/cm² AM 1.5G에서 4.2%의 높은 에너지 변환효율을 달성하였다. 이 결과는 Konarka사의 결과와 비교하여 1.4배 이상 높은 결과로 지금까지 보고된 세계 최고 수준이다. 특히, Voc가 0.681 V로서 기존의 스핀코팅한 소자보다 더 우수한 결과로 생각된다 (그림 13). 이처럼, 한국화학연구원의 잉크젯 인쇄를 통한 유기태양전지 소자 제작 기술은 기존의 스핀코팅과 거의 동등한 수준으로 발전하였으며, 신규 재료의 설계/합성의 병행으로 빠른 시일 이내에 보다 우수한 결과를 보여줄 수 있을 것으로 기대된다.유기태양전지 측정 오류 및 표준화최근 들어, 유기태양전지관련 논문들에 대한 효율 과장에 대한 논란이 확대되고 있다. IPCE 측정결과로 계산되어지는 전류밀도의 값과 측정된 전류밀도간의 오차로 인해 높은 세기의 광원에서 측정되었거나 활성면적이외의 부분에서 기인하는 오차 등으로 인해 상당한 차이를 보여주고 있다. 이에 따라, Solar Energy Materials and Solar Cells 등의 저널에서는 논문 투고시에 일정 효율이상의 소자의 경우, 인증기관으로부터의 효율인증결과를 첨부하도록 요구하고 있다. 따라서, 유기태양전지의 효율을 측정하는데 있어서는 몇 가지 고려해야 할 사항들이 있다. 첫째, Class A의 Solar Simulator를 사용해야 하며, 둘째, 인증기관에서 인증한 표준셀을 이용해 광량을 교정해야 하며, 셋째, 소자의 정확한 활성면적을 측정하여 계산하여야 하며, 넷째, 사용하는 Solar simulator의 mismatch factor를 이용해 보정해야 하며, 마지막으로 edge effect나 cross talk 현상을 최소화하여야 한다는 것이다.유기태양전지는 무기계 태양전지와는 달리 가시광선 영역 즉, 800nm이내의 단파장 빛만을 흡수하기 때문에 적외선영역까지의 넓은 파장영역으로 표준화되어 있는 Solar simulator를 이용하게 되면 예상외의 심각한 오류를 범할 수도 있다. 예를 들어, 같은 Class A급의 장비라고 하더라도 제조사마다 스펙트럼상의 편차(Spectral mismatch)를 가지게 되는데, 스펙트럼상의 편차는 미국 IEC 규격에서는 0.75-1.25, 일본 JIS 규격에서는 0.7-1.25의 범위로 규정하고 있다. 이 표준의 의미는 일정 구간의 파장에서 AM 1.5 스펙트럼의 세기를 1로 놓았을 때, ±25% 가량의 범위내의 스펙트럼을 보여준다면 Class A로 규정한다는 것이다. 따라서, 적외선 영역에서 광도가 높고 가시광선영역에서는 광도가 낮은 solar simulator와 그 정 반대의 solar simulator라면 그 차이는 10% 이상으로 커질 수도 있다는 것이다. 본 연구팀의 측정결과에 의하면, 일본 Yamashita Denso사의 측정 장비와 미국 Oriel사의 측정 장비의 비교에서 적게는 10%에서 많게는 20%정도의 차이를 보여주는 것을 확인 할 수 있었다(그림 14).또한, PEDOT-PSS 층의 전도도가 높은 경우 광활성면적 이외의 부분에서 발생한 광전류가 측정에 포함되어 실제보다 효율이 과장되는 경우도 많이 관측되고 있다. 그래서, 마스크를 이용하여 효율의 변화가 없는지를 확인한 후에 보고하는 것이 오류를 줄일 수 있는 또 하나의 방법이 될 수 있을 것이다.이처럼 유기태양전지의 측정은 기존의 실리콘 태양전지와 사뭇 다른 점들이 있고, 그러므로 유기태양전지를 위한 새로운 표준화가 필수적이라고 하겠다. 따라서, 아직 상업화가 되지 않은 상황에서 유기태양전지의 표준화를 위해 국내 산학연 관련자들이 힘을 모아야 할 때라고 생각된다.플렉서블 유기태양전지의 특성 및 응용분야상기에서 본 바와 같이, 유기태양전지는 재료 및 공정상의 장점(표 1)으로 인해 저가 태양전지의 구현이 가능할 것으로 보인다. 하지만, 현재까지는 소자의 효율이 낮아 발전부문의 적용은 어려운 것으로 관측되고 있다. 따라서, 상업화의 초기에는 휴대용 전자기기의 충전용이나 군수용의 용도로 이용될 것으로 예측되고 있다. Konarka사에서는 유기태양전지의 응용분야를 휴대용, 옥내용, 옥외용 등 3가지 분야로 규정하여 각각 용도에서의 시장 진입시기를 예측하고 있다(표 2, 그림 15). 특이할 만한 사항은 2008년 하반기에 4W 및 8W급의 플렉서블 유기태양전지 모듈을 상업화하고, 각각의 2012년까지 각각의 용도에 제품을 적용할 것이라고 한다.결론분자 도너와 플러렌계 억셉터를 이용하여 용액공정을 통해 제작하는 벌크헤테로정션 유기태양전지는 2008년 현재 5% 안팎의 낮은 에너지 변환 효율을 보여주고 있다. 더욱이, 이러한 낮은 효율도 1cm²이하의 작은 소자에서 측정된 결과여서 상업화 가능성에 대한 논란이 많은 게 사실이다. 낮은 효율은 신규 유기반도체 재료들이 속속 개발되고 있으니 충분히 개선될 수 있을 것이고, 짧을 것으로 예측했던 수명부분도 Konarka사의 결과대로라면 예상외로 쉽게 해결될 것으로 보인다. 그렇다면, 남은 과제는 어떻게 하면 값싸게 대량생산을 할 수 있는 문제가 남아있다. 이를 위해 플렉서블 기판의 개발과 인쇄공정의 개발이 반드시 필요하겠다.유기태양전지 분야는 선진국과의 기술격차가 상대적으로 적은 분야이므로 광활성층과 기판 소재 및 인쇄공정분야에 대한 정부차원의 적극적인 지원을 통해 국내 관련 연구자들이 플렉서블 유기태양전지관련 원천기술을 충분히 확보할 수 있고, 나아가 플렉서블 유기태양전지의 상업화를 주도할 수 있기를 기대해 본다.참고문헌1). 강윤흠 (대우증권 리서치센터), PV Korea 2008, Seoul, Korea (2008).2). C.J. Brabec (Konarka), Organic Electronics Conference and Exhibition, 2007.3). 산출근거: 2007-2011 NanoMarkets; 2015, 2020 IDTechEx, Plextronics analysis4). P. Peumans and S.R. Forrest, Chem. Phys. Lett., 398, 27 (2004).5). C.W. 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Fehse, K. Walzer, K. Leo, W. Lovenich, and A. Elschner, Adv. Mater., 19, 441 (2007).20). Y. Zhou, F. Zhang, K. Tvingstedt, S. Barrau, F. Li, W. Tian, and O. Inganas, Appl. Phys. Lett., 92, 233308 (2008).21). G. Dennler, M.C. Scharber, T. Ameri, P. Denk, K. Forberich, C. W, Waldauf, and C.J. Brabec, Adv. Mater., 20, 579 (2008).22). “www.konarka.com/index.php/site/press/energy_research_ centre_of_the_netherlands_ecn”, Jun 24 (2008)23). 산출근거: (주)코오롱, 모듈크기(0.06m2), 출력 1.8W급 (모듈효율 5%), Line당 생산량 (108 MW, 6 km2), cost ($50M (NRE) + 1 Line X $1M / Line = $51M), 플렉서블 기판이용한 롤투롤 연속 생산공정.24). 산출근거: NREL/SR-520-36846; 설비 (100 Line), Cost ($30M(NRE) + 100line x $2.5M/Line = $280M), 5개의 sub factory (유리기판, 박막공정, 소재재생, Packiging, Al 등).25). S. E. Shaheen, R. Radspinner, N. Peyghambarian, G. E. Jabbour, Appl. Phys. Lett., 79, 2996 (2001).26). J. Sakai, E. Fujinaka, T. Nishimori, N. Ito, J. Adachi, S. Nagano, K. Murakami, IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 31st, 125 (2005).27). K. C. Krebs, H. 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