구리 기반 다층 투명 전극을 이용한 저가격 및 플렉서블 유기 태양전지

Abstract

ITO는 많은 산업에서 일반적으로 사용되는 전형적인 투명 전극으로 알려져 있다. 태양 전지 산업에서도 ITO의 높은 투과도, 낮은 면저항, 그리고 에너지 밴드 상으로도 태양전지에서 풀러린(fullerene)과 함께 널리 사용되고 있는 고분자인 P3HT의 HOMO와 잘 맞기 때문에 대표적인 양극으로 사용되고 있다. 그러나 ITO의 요소 중 하나인 인듐의 양이 한정적이기 때문에 필연적으로 ITO의 가격이 상승하고 있는 추세이다. 그래서 가격면으료 효율적인 유기 태양전지를 위해서는 ITO는 적절한 선택이 아니다. 또한 가격을 낮추기 위하여 공정 단가 역시 낮아져야 한다. 하지만 ITO의 상당히 제한적인 플렉서블 특성으로 인하여 롤투롤(roll-to-roll)과 같은 저가 공정이 불가능하다. 그러므로 미래 저가 발전(low-cost power generation)을 실현하기 위해서는 ITO를 대체할 수 있는 물질의 개발이 시급하다. 그래서 본 논문에서는 ITO를 사용하지 않는 효율적인 가격의 플렉서블한 유기 태양전지를 실현시킬 수 있는 양극의 후보로써 저렴한 금속인 Cu를 기반으로 한 dielectric-metal-dielectric(ZnS/Cu/$WO_3$) 구조의 다층 투명전극을 제시한다. 다층 투명 전극 구조에서 바깥쪽에 사용하는 유전체 층으로써, ZnS의 광학적, 전기적인 특성에 대해서 좀 더 심도 깊게 다룬다. ZnS는 다층 투명 전극을 사용하는 유기 태양전지의 효율 향상에 굉장히 중요한 역할을 하고 있다. ZnS는 다층 투명전극의 투과도를 높임과 동시에 Cu 박막의 형성에 도움을 준다는 사실을 알아냈다. 본 논문에서 제시하고 있는 다층 투명 전극을 이용한 태양전지의 성능을 평가하기 위하여 poly(3-hexylthiophene) (P3HT) 와 [6,6]-phenyl C71 butyric acid methyl ester ($PC_{70}BM$) 를 혼합하여 bulk-heterojunction 구조의 광활성층을 선택하여 사용하였다. 또한 성능 비교를 위하여 ITO/PEDOT:PSS가 같은 배치에서 만들어 졌다. 광학 시뮬레이션을 통한 최적화 과정을 통하여 유전체의 최적화된 두께를 알 수 있었으며, 이를 실험에 적용하여 ITO/PEDO:PSS 기반의 유기 태양전지와 어느 정도 필적하는 성능을 갖는 다층 투명 전극을 사용한 유기 태양전지를 제작할 수 있었다. $ZnS/Cu/WO_3$를 이용하여 제작한 유기 태양전지의 실험 결과 최고 효율은 AM1.5G 광원 (100 $mWcm^{-2}$) 하에서3.4%를 보였다. 또한 ZnS/Cu/$WO_3$는 ITO에 비해 월등한 플렉서블 특성을 보였다. 결론적으로, $ZnS/Cu/WO_3$ 구조의 다층 투명 전극은 ITO를 대체하고 미래의 저가 발전을 위한 훌륭한 대체 전극 중 하나로 주목할 만 하다.