발전 중인 고분자 태양전지의 노화 원인 해명

KISTI 미리안 2013-03-01

JST과제달성형 기초연구의 일환으로서 츠쿠바대학 수리물리계 연구그룹은 고분자 태양전지에 빛을 조사하여 축적하는 전하의 상태를 해명하고 그것이 특성의 노화와 명백한 상관성이 있다는 것을 세계에서 처음으로 관측하였다. 유기박막 태양전지의 일종인 고분자 태양전지는 현재 주류인 실리콘계 태양전지(변환효율 20~25%) 보다 저비용, 경량, 유연성이 있는 차세대 태양전지로서 주목 받고 있으며, 최근에는 변환효율도 11%까지 향상되어 실용화가 기대되고 있다. 지금까지 고분자 태양전지에 빛을 조사하면 산소 및 수분이 없는 상태에서도 태양전지의 소자 특성이 노화되는 것이 알려져 있으며, 이것은 소자 내부에 축적된 전하가 원인이라고 생각하였다. 그러나 지금까지의 전기적 측정 등의 방법으로는 전하가 축적된 장소를 특정짓는 것은 불가능하였으며, 전하의 축적과 특성 노화의 상관도 증명되지 않았기 때문에 고분자 태양전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 방법을 찾지 못했다. 고분자 태양전지는 가볍고, 유연성이 있으며, 종래 태양전지에 비해 저렴하여 대량생산이 가능한 장점도 있기 때문에 차세대 태양전지로서 세계의 주목을 받고 있다. 최근 변환효율도 11%에 도달하여 실용화가 기대되고 있다. 태양전지의 실용화를 위해서는 내구성 향상이 중요한 과제이다. 지금까지 고분자 태양전지에 빛을 조사하면 산소 및 수분이 없는 상태에서도 태양전지의 소자 특성이 노화하는 것으로 알려져 있으며, 이것은 소자 내부에 축적된 전하가 원인이라고 생각하였다. 그러나 지금까지의 전기적 측정 등의 방법으로는 전하가 축적된 장소를 특정지을 수 없으며, 전하의 축적과 특성과의 상관도 증명되지 않았기 때문에 고분자 태양전지의 내구성 향상 지침을 마련할 수 없었다. 본 연구그룹은 전자스핀공조법(ESR법)을 이용하여 새로운 방법을 개발하고 최근 그 방법을 이용하여 태양전지의 소자를 제작할 때 빛을 조사하지 않은 상태에서도 소자 중에 전하가 발생하고 그것이 특성을 노화시키고 있다는 것을 밝혀내었다. 그리고 이번에 빛을 조사한 상태에서 소자의 거동을 조사하는 연구에 응용하여 소자 내의 전하가 축적된 장소를 특정하고, 특성의 노화와의 상관성 해명을 목표로 하였다. 이 해명은 직접적으로 소자의 내구성 향상에 도움이 될 것으로 생각되지만, 축적된 전하의 수를 빛을 조사한 경우에 높은 정도로 연속 측정하는 것이 곤란하였다. 통상 ESR신호의 측정에서는 ESR장치의 안정성 문제 때문에 높은 정도로 재현성이 있는 ESR신호의 측정이 불가능하였다. 이번에 빛을 조사한 상태에서 ESR 신호를 측정할 때 표준시료를 동시에 측정함으로써 소자 중에 축적된 전하의 수를 실시간으로 정밀하게 계측하는 것이 가능하게 되었다. 그리고 전하의 축적과 특성의 노화 사이에 명백한 상관이 있다는 것을 세계에서 처음으로 관측하였다. 본 연구에서는 고분자 태양전지에서 표준적으로 사용되고 있는 유기재료를 이용하여 소자를 제조하였다. 정전하를 운반하는 고분자 재료인 폴리헥실티오펜(P3HT, poly(3-hexylthiophene)), 부전하를 운반하는 플러렌 유도체(PCBM, Phenyl-C61-butyric acid methyl ester), 정전하의 방출층 재료인 PEDOT:PSS9poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)를 이용하였다. 우선 빛을 조사한 상태에서 ESR신호를 측정하고 전하가 축적된 장소를 해석하였다. 빛을 조사한 상태에서는 서서히 ESR신호가 증가한다. 얻어진 ESR신호의 g값(g=2.0022)과 ESR신호의 선폭 ΔHpp값(ΔHpp=0.25mT)에서 고분자 재료 중에 전하가 축적되어 있다는 것을 알았다. 이것은 종래 전기적인 측정 등에서는 알 수 없는 직접적인 결과이다. 다음에 이 ESR신호로부터 축적된 전하의 수를 구하는 동시에 소자특성(단락전류밀도)도 측정하였다. 이 결과, 빛을 조사하는 시간이 증가함으로써 축적된 전하의 수는 증가하고, 동시에 특성이 노화하였다. 즉, 전하의 축적과 소자 특성 사이에는 명백한 상관성이 있다는 것을 알았으며, 고분자 재료 중의 전하 축적이 특성의 노화를 일으킨다는 것을 밝혀내었다. 이번 해석방법의 개발에 의해 지금까지 추측만하였던 고분자 태양전지의 특성을 노화시키는 전하의 축적이 분자수준에서 해명되고 그 상관성을 조사함으로써 전하의 축적을 개선하기 위한 명확한 지침을 얻을 수 있었다. 앞으로 이 방법이 대학, 연구소, 기업 등에서 새롭게 개발된 태양전지 소자 및 유기재료에 널리 활용됨으로써 종래 전기적인 측정 등에서 불가능하였던 소자 노화 문제의 신속한 해결이 가능하게 되었다. 이 해석 결과를 검토하여 소자 제작 시에 전하의 축적이 발생하지 않는 기술개발이 수행됨으로써 노화를 미연에 방지하여 내구성 향상을 도모할 수 있어 효율향상을 비롯한 고분자 태양전지의 연구개발 및 실용화를 가속화하는데 도움이 될 것이다. 그리고 태양전지 이외의 유기 트랜지스터 및 연료전지 등 유기계 디바이스에 응용할 수 있어 원리적으로는 무기계 디바이스에도 적용할 수 있는 가능성이 있다. 앞으로 이 방법을 폭넓게 응용하여 검증함으로써 앞으로 보다 광범위한 디바이스의 특성 향상에 도움이 될 것으로 기대한다. (그림 1) 고분자 태양전지 ESR신호의 광조사 조건에서 증가 (그림 2) 고분자 태양전지의 전하 축적과 특성 노화와의 관계 (그림 3) 고분자 태양전지에서 빛을 조사한 경우의 전하 축적 zu1.gif zu2.gif zu3.gif http://www.jst.go.jp/pr/announce/20130227-2/index.html