Power, Energy

유기 태양전지를 위한 새로운 나노볼 집광기

장종엽엔에스 2015. 1. 14. 08:15

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-14
홍콩 연구진은 유기 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 나노볼 집광 장치를 개발하는데 성공했다.

기하학적 광 포집은 태양전지의 광 흡수와 효율을 매우 향상시킬 수 있는 간단하면서 유망한 방법이다. 그러나 유기 태양전지 속에 기하학적 광 포집을 구현하는 것은 기판 위에 균일한 유기 활성층을 달성할 수 없다는 사실 때문에 문제가 되고 있다. 홍콩 과학기술대학(Hong Kong University of Science and Technology)의 연구진은 이런 문제를 해결하기 위해서 저렴한 알루미늄 호일 위에 새로운 나노볼(nanobowl) 집광 장치를 만들었다. 이번 연구진은 이러한 집광기를 기반으로 새로운 태양전지 장치를 제조하는데 성공했고, 나노볼이 없는 장치에 비해서 전력 전환 효율이 28% 이상 향상된다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 저널 SCIENCE BULLETIN에 게재되었다.

태양 에너지는 가장 유망한 신재생 에너지원 중 하나이고, 향후에 화석 연료를 위한 유망한 대안이 될 것이다. 지난 수십 년 동안에, 화석 연료와 경쟁할 수 있는 효과적이고 비용 효율적인 태양전지 장치를 개발하기 위해서 많은 노력이 이루어졌다. 유기 태양전지는 태양 에너지를 저렴하고 효율적이고 대규모로 수집할 수 있는 유망한 후보자 중 하나로 간주되고 있다.

기존의 유기 태양전지 장치는 전극으로서 인듐-도핑된 주석 산화물을 사용하고 유기 기판 위에 제조되었다. 그러나 이러한 기판은 유연하지 않고 ITO 전극의 상대적으로 높은 저항은 유기 태양전지의 성능을 저하시킨다. 이에 비해서, 알루미늄 호일 기판은 뛰어난 전도성, 유연성, 비용 효율성, 롤-투-롤(roll-to-roll) 가공성 등의 장점을 가진다. 나노구조로 된 기판으로 포집된 광은 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 매력적인 법으로 간주되고 있다. 그럼에도 불구하고, 유기 태양전지에 이것을 적용하는 것은 지금까지 성공하지 못했다. 이것은 유기 태양전지 속의 활성층 두께를 균일하게 유지하지 못한 것이 원인 중 하나이다. 기존의 코팅 기술을 적용할 경우에, 이러한 균일성을 나노-구조 위에 보장하는 것은 어렵다.

이번 연구진에 의해서 개발된 새로운 나노볼 집광기는 유기 태양전지의 활성층 속의 광 흡수를 매우 향상시킬 수 있었는데, 광학적 시뮬레이션으로 이러한 향상이 나노볼의 뛰어난 광자 포집 능력 때문이라는 것을 밝혀내었다. 또한 이번 연구진은 태양전지 성능에 대한 나노볼의 형상에 대한 영향을 조사했다. 즉, 1000nm, 1200nm, 1500nm의 피치(pitch)를 가진 3 종류의 나노볼을 조사했다.

1000nm의 피치를 가진 나노볼을 기반으로 하는 태양전지는 모든 나노볼 기판 중에서 ~9.41 mA cm-2의 가장 높은 단락 전류 밀도와 광활성 층 속에서 최고의 광자 흡수를 증명했다. 0.573V의 개회로 전압과 57.9%의 충전율(fill factor)을 가진 경우에, 이런 나노볼 태양전지는 3.12%의 전력 변환 효율을 달성했는데, 이것은 나노볼이 없는 태양전지에 비해서 28% 향상된 결과이다. 이 연구는 나노볼 집광기에 의한 광 포집을 더 많이 이해할 수 있게 할 뿐만 아니라 저렴하고 용액 처리된 유기 태양전지 속에 기하학적 광 트래핑을 구현할 수 있는 가능성을 증명했다.

유기 태양전지에 대한 새로운 나노볼 집광기의 개발과 이것의 적용은 Shihe Yang 교수와 He (Henry) Yan 교수가 포함된 홍콩과학기술대학의 연구진에 의해서 수행되었다. 이 프로젝트는 홍콩 연구 기금 위원회(Hong Kong Research Grants Council)와 홍콩 혁신 기술 위원회(Hong Kong Innovation Technology Commission)의 일반 연구비로 지원되었다. 이 연구결과는 저널 Science Bulletin에 “Nanobowl optical concentrator for efficient light trapping and high-performance organic photovoltaics”라는 제목으로 게재되었다(10.1007/s11434-014-0693-8).

그림. 나노볼 집광기의 전자 현미경 이미지(왼쪽)와 광학적 시뮬레이션(오른쪽).