연구본부소개
간단한 제조공정으로 다기능 그래핀 나노복합구조 양자점 합성 기술 개발
- 등록일 : 16-02-23
- 전북분원 복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터 손동익 박사 연구팀
- 조회수 : 18621
간단한 제조공정으로 다기능 그래핀 나노복합구조
양자점 합성 기술 개발
- 고효율 유기 태양전지 소자 기술 응용 적용
- 유기태양전지 효율 증가, 비용 절감 및 안전성 획기적 개선으로
상용화에 한 발 다가서
태양광을 전기 에너지로 바꾸는 태양전지는 화석 에너지의 고갈과 청정 에너지원의 필요성이 부각되면서 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받고 있다. 현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주로 생산되고 있으나 복잡한 제작공정 및 높은 재료 가격으로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이에 반해, 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경제성이 높다. 그러나 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다. 국내 연구진이 기능화된 탄소기반 양자점 단일층을 효과적으로 도입하여 유기태양전지의 안정성 및 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 태양전지를 개발했다.
이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 10.3%의 효율을 얻었고, 안정성도 개선됨을 확인하였다. 그래핀 표면에 기능화 형성을 위한 합성을 하였고, 이를 통해, 유기용매 분산도를 높이고 고분자(PEIE)층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성할 수 있다. 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다.
한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터 손동익 박사 연구팀은 유기태양전지의 표면 개질 고분자 층(PEIE) 표면 위에 ‘기능화된 산화아연-그래핀 양자점’을 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리하여, 광전환 효율을 증대시키고, 소자의 안정성을 강화한 유무기 하이브리드 구조의 유기태양전지를 개발했다.
일반적으로 유기태양전지에서 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광활성층(Active layer)이라 불리는 유기물층 (PTB7 혹은 PTB7-Th 고분자 물질)은 태양광을 받아 전자를 내놓는 ‘전자주게물질’(Donor)과 전자를 받아서 전극으로 전달해주는 ‘전자받게물질’ (Acceptor; PCBM: 탄소나노물질)의 혼합층 (탄소복합구조)으로 이루어져 있다. 하지만, 태양전지의 효율 및 안정성을 보장하기 위해서는 몇 가지의 원활한 소자구동을 위한 전자수송층(eletron transport layer), 정공수송층(hole transport layer), 전자주입층(eletron injection layer), 정공주입층(hole imjection layer) 등이 도입되어야한다.
연구팀은 또한 기존의 표면 개질 고분자층(PEIE)을 사용한 구조에서는 ITO(Indium tin oxide:투명전극)전극의 일함수를 낮춰주고 태양전지의 전기적 성능을 증가시켜주는 역할을 해주는 데에만 그쳤으나, 광활성층에서 나오는 전하를 효과적으로 이동시켜줄 수 있도록 전자수송층을 도입하였고, 기존에 사용된 자외선 영역의 파장을 가지는 넓은 밴드갭의 금속 산화물 나노입자(ZnO)는 전자 수송층으로만 사용했었기 때문에 효율을 향상시키기에는 많은 제약이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다.
※ 밴드갭 : 전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨의 사이의 차이
※ 일함수 : 특정한 고체 표면에서 한 개의 전자를 외부로 빼내는데 필요
<그림 1>
개발된 ‘기능화된 산화아연-그래핀 양자점 단일층’은 단순한 용액공정을 통하여 쉽고 빠르게 형성할 수 있고, 기존의 산화아연-그래핀 양자점보다 우수한 단일층 형성을 보이며 효과적으로 광활성층에서 생성된 전자가 전극으로 원활하게 이동하는 것에 도움을 주게 되어 태양전지의 광전 변환 효율의 증대를 가져 오게 된다.
<그림 2>
기존 그래핀 표면에는 존재하지 않는 ？NH 또는 ？NR 기능기 (Yellow: ZnO, Black: Carbon, Red: Oxygen, Grey: Hydrogen, Blue: Nitrogen, Green: Alkyl group(-C7H15))가 옥틸아민(Octylamine)을 통해 그래핀 표면에 형성 됨으로써 유기용매 분산도를 높이고 PEIE층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성하고 이를 통해 증가된 태양전지의 효율과 안정성에 기여 하였다.
<그림 3>
(a)에서 볼수 있듯, 기능화된 산화아연-그래핀 양자점을 소자로 제작하기 위해 단일층으로 형성시킨 역구조 솔라셀 구조로 형성내며, (b)와 같이 솔라셀 소자에서 기능화된 산화아연-그래핀 양자점이 단일층으로 형성된 형상을 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope: TEM)으로 단일층 구조체의 단면을 측정하여 확인하였다. 이 구조체를 통해서 유기용매 분산도도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되고 이는 태양전지소자의 활성 폴리머 물질이 균일한 박막이 형성되는데 도움을 주게 되고, 이는 ITO전극에 표면개질 고분자(PEIE)만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 레퍼런스 대비 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다.
<그림 4>
이러한 효과로 기능화된 산화아연 그래핀 양자점 단일층을 이용하여 제작된 역구조 유기태양전지의 특성은 태양전지소자의 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 10.3% 이상 증가 하였고, 양자점 단일층에 의해 형성된 역구조 유기태양전지는 대기와 접촉에서 안정성 증가 확보가 가능하므로, 기능화된 양자점 없는 소자와 비교해서 효율의 안정성이 94%까지 유지되는 것을 보여주는 데이터이다.
KIST 손동익 박사는 “기능화된 산화아연-나노카본 양자점을 이용하여 기존 전자수송층 뿐만 아니라, 다양한 기능의 특성을 통해서 광에너지 전환 효율을 향상시키고, 솔라셀 폴리머 물질과의 계면 인터페이스 또한 우수하여 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”며, “후속으로 연구 중인 나노카본을 기반으로 한 금속 물질 복합구조 양자점을 사용한다면 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다.
본 연구는 미래창조과학부가 지원하는 KIST 기관고유연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano energy)에 "Enhanced Photovoltaic Performance of Inverted Polymer Solar Cells utilizing Versatile Chemically Functionalized ZnO@graphene Quantum dot Monolayer"의 제목으로 2016년 1월 14일에 온라인판으로 게재되었다.