유기 태양전지(Organic Solar Cell)의 동작원리 및 공정단계와 현재의 문제점, 그리고 향후 전망에 대하여

소개글

유기 태양전지(Organic Solar Cell)의 동작원리 및 공정단계와 현재의 문제점, 그리고 향후 전망에 대하여에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 서론
(1) Why organic solar cell??
(2) 유기 태양전지의 역사
(3) 유기 태양전지 형태 및 분류

2. 본론
(1) 유기 태양전지 원리
(2) 유기 태양전지 제조공정
(3) 유기 태양전지 효율성 및 문제점
(4) 유기 태양전지 개발현황과 향후전망
(5) 유기 태양전지 응용분야

3. 결론 및 토의

* 참고자료*

본문내용

차이가 개방 전압을 결정한다고 알려져 있는데, 최근 LIOS 그룹의 연구 결과는 반도체 구본자의 HOMO 준위와 electron acceptor 의 LUMO의 차이가 이 값을 결정한다고 보고하고 있다.
(2) 유기 태양전지 제조공정
전형적인 유기 분자형 태양전지의 구조를 나타내고 있는데, 금속/유기반도체/금속구조에서, 높은 일함수를 가지며 투명 전극인 ITO 를 양극으로, 낮은 일함수를 가진 Al 이나 Ca 등을 음극으로 사용한다. 여기서 유기 반도체로 앞서의 반도체 고분자/C60 복합재를 각각 donor 와 acceptor 로 사용하는 구조를 예를 들어 설명하면, 먼저 광합성층인 고분자/C60 복합재 용액을 spin coat 방법이나, Ink-jet print 법, 또는 screen print 방법을 이용하여 100nm 정도의 두께로 ITO 층 위에 코팅한다. 이 위에 다시 Al 이나 Ca 금속을 진공 증착하여 전극으로 사용하게 되는데, 필요에 따라 이 전극과 광활성층 사이에 전하의 수명을 증진시키는 EBL(Exiton Blocking Layer) 층을 삽입하기도 한다.
상기 광활성층의 구조에 따라 크게 다음 Bulk heterojuntion polymer photovoltaic cell과 같이 분류 할 수 있으며 유기-무기 hybrid 전자는 주로 acceptor 층에 무기계 재료를 채택하는 것으로 구조는 (a)구조와 유사하다고 보여진다.
현재, electron donor 물질로 사용도는 유기 반도체는, 반도체 고분자의 경우, poly 계열의 물질과 polythiophene (PT)의 다양한 유도체들이 사용되고 있다. 그리고 유기 단분자 물질들은 주로 CuPc, ZnPc 등 pthalocyanine 계 물질이 많이 이용되고 있다. 이러한 electron donor 물질들은 태양광 스펙트럼과 잘 맞거나, 매우 강한 광흡수도를 가지고 있어야 한다. Electron acceptor 물질로는, C60 자체 혹은 C60 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 PCBM, PCBCR, PCBCa 등이 사용되고 있으며, 그 외 단분자로는 perylene, PTCBi 등이 사용되고 있다. 이중에서 C60 의 유도체들은 대체로 반도체 고분자와 복합재로 많이 사용되고 있으나 C60 의 경우 진공 증착법을 이용하여 double later 구조의 소자에도 자주 쓰이고 있다. 그리고 perylene, PTCBi 등 단분자 double layer 구조의 소자에도 자주 쓰이고 있다. 그리고 perylene, PTCBi 등 단분자 물질은 double layer 구조에 주로 사용되고 있다. Electron acceptor 물질은 가시광 영역에서 광흡수가 적어야 하며 동시에 electron donor 물질에 비해서 전자 친화도가 커야 도는 조건을 만족해야 한다.
(3) 유기 태양전지 효율성 및 문제점
① 광 안정성
현재 가장 많이 지적되고 있는 부분이 유기물 자체가 가지는 광 안정성 문제이다. 대부분의 유기물은 자외선에 쬐었을 경우 광산화 현상이 일어나게 되는데, 오랫동안 빛에 노출되면 유기물의 색이 변하고 효율이 급격히 떨어지는 문제점이 있다. 현재 사용되고 있는 PPV 계열의 경우, 이러한 문제점이 두드러지게 나타난다. 이를 극복하기 위해 비교적 안정한 물질인 polythiophene (PT)와 polyfluorene (PF)계 물질이 최근에 많이 연구되고 있다. 전자는 band gap 이 작은(Eg<2eV) 물질이고 후자는 band gap 이 큰 (Eg>2eV) 물질이다. 따라서 PT의 경우는태양전지로 사용하게는 무리가 없으나, PF의 경우 band gap이 크므로 사용하기에는 무리가 따른다. 그러므로 PF의 경우 low band gap 을 가진 물질과 co-polymer의 형태로 합성을 하여, PF의 안정성을 그대로 유지하면서 태양전지용 물질로 이용하는 방안이다. 또 한 가지 방안으로 소자나 모듈 제조 시 자외선 blocking 층을 상부에 적층하여 유기물의 안정성을 향상시키는 방안도 고려될 수 있을 것이다.
② 유기물의 낮은 전하 이동도
유기 태양전지의 효율을 제한하는 큰 문제 중의 하나는 bulk 상태에서 유기물의 전자, 정공의 낮은 이동도이다. 유기물은 분자 구조 상으로나 결정 구조적으로 결함이 많아 전하 이동도가 무기물에 비해서 매우 낮은 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 반도체 고분자/C60 의 경우 매우 높은 전자-정공 분리 효율에도 불구하고 광전류가 낮은 이유가 이러한 전하의 낮은 이동도 때문이라고 여겨지고 있다. 고분자/유기 박막 내에서의 전하의 이동도를 향상시키기 위해서 넌 우선 현재 반도체 고분자 또는 유기 반도체에서의 문제점인 정공의 이동도에 비해 상대적으로 낮은 전자의 이동도를 고려하는 점이다. 이를 위해서 고분자 내에서 사슬과 사슬 사이의 상호 작용 을 연구하고 또한 박막 제작 시 유기 박막의 개선을 통하여 소자 형태에서 전극의 계면 문제를 개선시켜야 한다. 이는 박막 형성 시 용액의 농도, 박막 형성 후 후처리 등을 통하여 향상시킬 수 있다. 이와 더불어 소자 형태에서 전국과 유기 박막 사이의 전하 주입의 원활함을 위하여 전극과 박막 사이에 buffer layer를 첨가하는 방법 등을 사용할 수 있다. 그 대포적인 물질로, 전도성 고분자인 poly: polystyrene sulphonic acid (PEDOT:PSS)가 많이 사용되고 있다.
③ 태양광 스펙트럼 대비 유기물의 비효율적 광에너지 흡수대
유기 태양전지 제조용 물질 중 metallo-pthalocyanine 단분자가 어느 정도 태양광 스펙트럼에 다가서 있지만, 현재 유기 태양전지에 사용되는 상당수의 물질들은 태양광 스펙트럼을 충분히 흡수 할 수 있는 파장대를 가지고 있다. 만약 태양광을 충분히 흡수할 수 있는 흡수대의 물질을 사용한다면 더 많은 광전하를 형성시킬 수 있을 것이고, 따라서 높은 효율의 유기 태양전지를 만들 수 있을 것이다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 반도체 고분자인 PPV 계열은 광습수대와 AM 1.5 스펙트럼의 일부만 흡수한다. 따라서, 광흡수물이 놓은 donor 물질을 개발하는 것이 고효유

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