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신소재경제·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(4)-제1장 태양전지 소재기술-유기 태양전지 소재기술(1)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

유기 태양전지, 美적 기능으로 1세대 태양전지 넘는다



■ 유기 태양전지 기술의 정의 및 분류

최근 화석에너지의 고갈로 인한 친환경 에너지원에 대한 필요성이 증가함에 따라 지속가능한 에너지원 중 하나인 태양광 발전(태양전지)에 대한 관심이 급증하고 있다. 태양전지는 태양빛(광)을 흡수하는 소재의 종류에 따라 실리콘, 화합물 반도체, 염료, 유기 반도체 등 다양한 종류로 구분이 되며, 소재의 박형화(thin flm) 유무에 따라 벌크 또는 유연 태양전지 형태로 개발이 이루어지고 있다.
이중 유기 태양전지(organic solar cells, OSCs)는 용어에서 나타나듯이 태양빛을 흡수하여 전력을 생산할 수 있는 유기반도체를 주(主) 소재로 이용하는 태양전지이며, 유연 박막형 태양전지가 대표적이다. 유기 박막 태양전지 연구는 1986년 C. W. Tang에 의해 처음 시작된 이래, 빛을 흡수하여 전하(정공과 전자)를 생성하는 전도성 고분자와 플러렌(C60)의 복합재(광활성층)에서 Photo-induced Charge Transfer 현상에 대한 연구가 1992년 미국 UCSB(Univ. California Santa Barbara)의 A. J. Heeger 교수에 의해 발표된 후로, 미국과 유럽 등의 선진연구 기관에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
유기 태양전지 소자는 위와 같은 광흡수 층에서의 전하-생성 분리의 현상 바탕으로 다음과 같은 기타 구성층을 이용하여 구동된다.
유기 태양전지 소재기술은 다음의 표와 같이 분류할 수 있으며 소재별 특징도 정리해보았다.

○ 광활성층 소재 : 빛을 흡수하여 전하를 생성할 수 있는 전도성 고분자 또는 단분자 소재(p형 소재, 전자 주개(donor) 소재로 부르기도 함)와 함께, 생성된 전하의 분리를 도와주는 n형의 플러렌 유도체 및 기타 n형 소재 (무기물, 유기물 포함)로 구성된다.

○ 베리어층 소재 : 광활성층에서 생성된 전하(전자 및 정공)의 양쪽 전극으로의 선택적 이동을 도와주는 층으로, 대표적으로 전자의 이동을 활성화시킴과 동시에 정공의 이동을 억제하는 ZnO와 같은 n형 무기 박막 소재와 반대의 역할을 하는 PEDOT:PSS와 같은 p형의 유기 박막 소재가 사용되고 있다.

○ 전극층 소재 1 : 전극은 양극과 음극으로 구성되어 있으며, 전극층 1은 기판(유리 기판 또는 플라스틱 기판)상에 빛을 흡수하고 전기가 잘 흐를 수 있도록 하는 얇은 투명 전도성 박막이 코팅되어 있다.

○ 전극층 소재 2 : 유기 태양전지의 베리어층 위에 직접 코팅 되는 층으로 일반적으로 금속(Ag, Cu, Au) 전극이 코팅되어져 있다. 그러나 최근에는 이러한 불투명한 금속 전극 대신에 금속산화물/금속/금속산화물 다층 박막, 실버나노와이어 박막 등과 같이 투광성을 나타낼 수 있는 전극 코팅 소재 들이 적용되어 투광형 유기 태양전지 소자 개발에 대응하고 있다.

○ 계면층 소재 : 유기 태양전지 소자는 다양한 유기, 무기, 금속계 소재들이 적층된 형태를 하고 있다. 따라서 각 층과 층 사이는 화학적, 물리적으로 이질적인 특성을 나타낸다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 self-assembly monolayer, 전도성 고분자, 유기 작용기, CNT, Graphene 등과 같은 계면층의 이질성을 줄여주는 소재들이 적용될 수 있다.

○ 기타 활성 소재 : 유기 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 방법의 하나로 금, 은 등과 같은 금속 나노입자 소재는 태양빛을 받게 되면 전하의 집단 거동을 일으키게 되고, 이러한 현상은 광활성층의 빛 흡수 및 전하들의 이동에 영향을 미치게 된다(플라즈몬 현상).

○ 보호막 소재 : 태양전지의 광활성 소재는 일반적으로 수분이나 공기에 노출 시 급격히 열화 현상이 일어나서 수명이 줄어드는 단점이 있다. 따라서 이와 같은 태양전지 소자의 수분, 공기에 대한 노출을 줄이기 위하여 에폭시 등과 같은 유기계 보호막 또는 SiO2, SiN 등과 같은 무기계 보호막이 코팅된 유연 필름을 이용하여 감싸주게 된다.


다양한 색·곡면시공·투광성으로 차별화

신개념 BIPV 시스템 적용의 최적 기술



■ 기술의 원리

유기 태양전지는 앞서 기술한 바와 같이 광활성층의 Photo-induced Charge Transfer 현상(다음 그림 왼쪽)을 기본 원리로 한다. 광흡수 소재인 전도성 유기물은 다음의 그림과 같이 에너지 준위 차이(HOMO-LUMO 차이)에 해당하는 광을 흡수하여 전자와 정공을 생성한다. 생성된 전자는 들뜸 현상(1번 과정)에 의해 LUMO 레벨로 이동을 하였다가 전가 친화도가 우수한 전자 받개 소재(대표적으로 플러렌)에 의해 2번 과정을 거쳐, 3번 과정을 통해 n형 베리어 소재층으로 이동하게 된다. 한편 광흡수층의 HOMO층에 남아 있는 정공은 에너지 균형을 맞추기 위하여 p형 베리어 소재층으로 이동하게 된다.
각각 베리어 박막층으로 이동한 전자와 정공은 다음의 그림에서 오른쪽과 같이 각각의 베리어 박막의 HOMO-LUMO 특성이 상이하여 특정한 방향으로만 이동하게 된다. 전자의 경우 cathode 전극에 이르게 되고, 반대로 정공은 anode 전극에 위치하게 되어 전체 소자가 구동되게 된다.

■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성

최근 화석연료의 고갈과 대기 오염 문제로 대체 에너지 개발에 관한 연구가 활발하며, 신재생 에너지 분야 중 태양전지는 청정한 사용 환경과 고용창출, 긴 수명 등의 장점으로 일본, 미국, 유럽 등 선진국에서 기술적 선점을 위해 많은 투자가 이루어지고 있다. 태양전지는 미래의 에너지원으로 2035년 기준 전체 에너지 사용량의 20%를 초과하는 미래성장 동력산업으로 인식되고 있다.
현행 실리콘 기반의 1세대 태양전지는 국내 산업이 글로벌 시장의 선도적 위치를 차지하기 어렵고, 발전차액 지원금이 하락함에 따라 경제성이 떨어져 발전사업 추진이 어려운 단점을 안고 있다. 그 결과 태양전지를 이용한 기후변화 대응에 필요한 실제적인 에너지 자립을 이루기 어려운 실정이다. 하지만 정부는 2015년 파리협정에 따라 신재생에너지의 비중을 2035년까지 전체 전력량의 13% 수준으로 생산량을 증대하여 기후변화대응 정책에 부합하고자 하고 있다. 따라서 이와 같은 기후변화대응 목표를 만족하기 위해서는 기존의 1세대 태양전지 개발·적용만으로는 한계가 있다.
국내 에너지 소비 형태를 반영할 경우, 도시 집중형 생산 기반을 가진 현재 도시에서 필요로 하는 에너지원을 신재생에너지로 대체하는 전략이 무엇보다 중요하다. 특히 에너지원 공급 시설을 건설하기 위한 공간이 부족한 도시의 경우 도시의 빌딩을 적극적으로 활용할 수 있는 새로운 개념의 Building Integrated PV(BIPV) 시스템을 적용할 필요가 있다.
산업통상자원부는 2015년 7월 29일 ‘공공기관 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정’의 개정·고시를 통하여 2020년부터 공공 건축물 신축 시 ‘제로에너지빌딩’을 의무화한다고 밝혔다.
태양전지는 건물의 에너지 사용량을 줄이기 위한 가장 중요한 요소 중의 하나이다. 더불어, 최근 들어 건물은 단지 거주하기 위한 목적에 더하여 도시 전체의 미관을 구성하는 도시의 얼굴이 되어가고 있어, 건물에 사용되는 소재는 건물이 요구하는 예술적 요구를 충족하여야 한다. 따라서 태양전지를 건물에 적용하기 위해서는 기존의 획일화된 모양과 형태에서 나아가, 다양한 색상, 곡면 시공의 가능, 투광성 등의 요구조건을 충족한 태양전지의 개발이 요구되며, 이러한 특성에 가장 부합하는 것이 유기물을 이용한 유기 태양전지이다. 따라서 본고에서는 투광형 유기 태양전지 개발 현황 및 핵심 소재인 투명 기판 전극 소재를 중심으로 기술하고자 한다.
<그림 3-1-2-1>유기 태양전지의 원리 : 광흡수층의 전하 생성 및 분리 현상
<그림 3-1-2-2>유기 태양전지 소재 구성
<표 3-1-2-1>유기 태양전지 소재기술의 분류
<그림 3-1-2-3>태양전지의 원리
<그림 3-1-2-4>태양광을 이용한 에너지 자립형 건물
<그림 3-1-2-5>투광형 유기 태양전지를 이용한 건축물 예시

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