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[판교테크노밸리]간단한 제조공정으로 다기능 그래핀 나노복합구조 양자점 합성 기술 개발- 고효율 유기 태양전지 소자 기술 응용 적용

하이거 2016. 2. 24. 00:42

간단한 제조공정으로 다기능 그래핀 나노복합구조 양자점 합성 기술 개발- 고효율 유기 태양전지 소자 기술 응용 적용

 

보도일자 2016-02-23

 

간단한 제조공정으로 다기능 그래핀 나노복합구조 양자점 합성 기술 개발

 

- 고효율 유기 태양전지 소자 기술 응용 적용

- 유기태양전지 효율 증가, 비용 절감 및 안전성 획기적 개선으로 상용화에 한 발 다가서

 


















 

태양광을 전기 에너지로 바꾸는 태양전지는 화석 에너지의 고갈과 청정 에너지원의 필요성이 부각되면서 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받고 있다. 현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주로 생산되고 있으나 복잡한 제작공정 및 높은 재료 가격으로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이에 반해, 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경제성이 높다. 그러나 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다. 국내 연구진이 기능화된 탄소기반 양자점 단일층을 효과적으로 도입하여 유기태양전지의 안정성 및 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 태양전지를 개발했다.

 

이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 광 에너지 전환 효율(power convers

ion efficiency: PEC)은 최대 10.3%의 효율을 얻었고, 안정성도 개선됨을 확인하였다. 그래핀 표면에 기능화 형성을 위한 합성을 하였고, 이를 통해, 유기용매 분산도를 높이고 고분자(PEIE)층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성할 수 있다. 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다.

 

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터 손동익 박사 연구팀은 유기태양전지의 표면 개질 고분자 층(PEIE) 표면 위에 기능화된 산화아연-그래핀 양자점을 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리하여, 광전환 효율을 증대시키고, 소자의 안정성을 강화한 유무기 하이브리드 구조의 유기태양전지를 개발했다.

 

일반적으로 유기태양전지에서 태양광을 흡수하여 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광활성층(Active layer)이라 불리는 유기물층 (PTB7 혹은 PTB7-Th 고분자 물질)은 태양광을 받아 전자를 내놓는 전자주게물질’(Donor)과 전자를 받아서 전극으로 전달해주는 전자받게물질’ (Acceptor; PCBM: 탄소나노물질)의 혼합층 (탄소복합구조)으로 이루어져 있다. 하지만, 태양전지의 효율 및 안정성을 보장하기 위해서는 몇 가지의 원활한 소자구동을 위한 전자수송층(eletron transport layer), 정공수송층(hole transport layer), 전자주입층(eletron injection layer), 정공주입층(hole imjection layer) 등이 도입되어야한다.

 

연구팀은 또한 기존의 표면 개질 고분자층(PEIE)을 사용한 구조에서는 ITO

(Indium tin oxide:투명전극)전극의 일함수를 낮춰주고 태양전지의 전기적 성능을 증가시켜주는 역할을 해주는 데에만 그쳤으나, 광활성층에서 나오는 전하를 효과적으로 이동시켜줄 수 있도록 전자수송층을 도입하였고, 기존에 사용된 자외선 영역의 파장을 가지는 넓은 밴드갭의 금속 산화물 나노입자(ZnO)는 전자 수송층으로만 사용했었기 때문에 효율을 향상시키기에는 많은 제약이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 기존의 금속산화물에 전기전도도가 우수한 그래핀을 껍질로써 감싸고 이를 화학적으로 기능화를 시켜주게 되면 유기용매 분산도가 향상되고, 도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되므로 이는 균일한 박막이 형성되는데 도움을 준다. 이는 ITO전극에 표면개질 고분자만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다.

 

밴드갭 : 전자가 존재하는 에너지 레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨의 사이의 차이

일함수 : 특정한 고체 표면에서 한 개의 전자를 외부로 빼내는데 필요 한 에너지

 

<그림 1>

개발된 기능화된 산화아연-그래핀 양자점 단일층은 단순한 용액공정을 통하여 쉽고 빠르게 형성할 수 있고, 기존의 산화아연-그래핀 양자점보다 우수한 단일층 형성을 보이며 효과적으로 광활성층에서 생성된 전자가 전극으로 원활하게 이동하는 것에 도움을 주게 되어 태양전지의 광전 변환 효율의 증대를 가져 오게 된다.

 

<그림 2>

 

기존 그래핀 표면에는 존재하지 않는 NH 또는 NR 기능기 (Yellow: ZnO, Black: Carbon, Red: Oxygen, Grey: Hydrogen, Blue: Nitrogen, Green: Alkyl group(-C7H15))가 옥틸아민(Octylamine)을 통해 그래핀 표면에 형성 됨으로써 유기용매 분산도를 높이고 PEIE층과 더욱 강한 전기적 결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성하고 이를 통해 증가된 태양전지의 효율과 안정성에 기여 하였다.

 

<그림 3>

(a)에서 볼수 있듯, 기능화된 산화아연-그래핀 양자점을 소자로 제작하기 위해 단일층으로 형성시킨 역구조 솔라셀 구조로 형성내며, (b)와 같이 솔라셀 소자에서 기능화된 산화아연-그래핀 양자점이 단일층으로 형성된 형상을 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope: TEM)으로 단일층 구조체의 단면을 측정하여 확인하였다. 이 구조체를 통해서 유기용매 분산도도 좋아지며 표면 개질 고분자 층위에 코팅하게 되면 거칠기(roughness)또한 줄어들게 되고 이는 태양전지소자의 활성 폴리머 물질이 균일한 박막이 형성되는데 도움을 주게 되고, 이는 ITO전극에 표면개질 고분자(PEIE)만 존재했을 때 보다 일함수가 낮아져 생성된 전하가 빠르게 이동할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 이점을 통해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 레퍼런스 대비 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인하였다.

 

 

 

<그림 4>

이러한 효과로 기능화된 산화아연 그래핀 양자점 단일층을 이용하여 제작된 역구조 유기태양전지의 특성은 태양전지소자의 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 10.3% 이상 증가 하였고, 양자점 단일층에 의해 형성된 역구조 유기태양전지는 대기와 접촉에서 안정성 증가 확보가 가능하므로, 기능화된 양자점 없는 소자와 비교해서 효율의 안정성이 94%까지 유지되는 것을 보여주는 데이터이다.

 

KIST 손동익 박사는 기능화된 산화아연-나노카본 양자점을 이용하여 기존 전자수송층 뿐만 아니라, 다양한 기능의 특성을 통해서 광에너지 전환 효율을 향상시키고, 솔라셀 폴리머 물질과의 계면 인터페이스 또한 우수하여 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다, “후속으로 연구 중인 나노카본을 기반으로 한 금속 물질 복합구조 양자점을 사용한다면 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다고 말했다.

 

본 연구는 미래창조과학부가 지원하는 KIST 기관고유연구사업으로

수행되었으며, 이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인

나노에너지(Nano energy)"Enhanced Photovoltaic Performance of Inverted Polymer Solar Cells utilizing Versatile Chemically Functionalized ZnO@graphene Quantum dot Monolayer"

제목으로 2016114일에 온라인판으로 게재되었다.

 

* (논문명) Enhanced Photovoltaic Performance of Inverted Polymer Solar Cells utilizing Versatile Chemically Functionalized ZnO@graphene Quantum dot Monolayer

- (1저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사, 문병준 연구원, 이규승 연구원

- (교신저자) 한국과학기술연구원 손동익 박사, 최원국 박사, 배수강 박사

 

 

[붙임] 연구결과 개요, 용어 설명, 그림 설명, 연구진 이력사항

 

연 구 결 과 개 요

 

 

Enhanced photovoltaic performance of inverted polymer solar cells utilizing versatile chemically functionalized ZnO@graphene quantum dot monolayer

 

Byung Joon Moon, Kyu Seung Lee, Soohyung Park, Se Ho Kim, Jaeho Shim, Sukang Bae, Min Park, Chang-Lyoul Lee, Won Kook Choi, Yeonjin Yi, Jun Yeon Hwang, Dong Ick Son

 

Nano Energy (2015)

1. 연구배경

빛을 전기 에너지로 바꾸는 태양전지는 화석 에너지의 고갈과 청정 에너지원의 필요성이 부각 되면서 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받고 있다. 현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주로 생산되고 있으나 복잡한 제작공정 및 높은 재료 가격으로 인하여 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 이에 반해, 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경제성이 높으며 휘어짐이 가능한 소자를 제작하는데 용이하다. 그러나 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 기존구조에서 역방향으로 적층시킨 태양전지가 등장했고 전하수송층 으로써 금속산화물을 도입하여 전지의 안정성에 기여를 했다. 이를 기반으로 효율증가를 목적으로 산화아연 나노입자에 전도도가 우수한 그래핀을 껍질처럼 코팅 및 기능화하고 이를 단일층으로 도입, 전자수송층으로 사용하여 태양전지의 안정성 및 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 유기 태양전지를 개발했다.

 

2. 연구내용

태양전지의 효율 및 안정성을 증대시키기 위해 역구조 태양전지를 기반으로 전자수송층 역할을 수행하는 금속산화물계열의 물질을 적층하여 전기에너지를 얻는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 ITO전극에 표면개질 고분자(PEIE)를 적층하고, 전자수송층으로 사용되는 산화아연의 전기적 성능을 향상시키기 위해 전도도가 높은 그래핀을 껍질처럼 형성시킨 산화아연-그래핀 양자점 을 도입하였으며 기존 그래핀 표면에는 존재하지 않는 NH 또는 NR 기능기(그림1. Yellow: ZnO, Black: Carbon, Red: Oxygen, Grey: Hydrogen, Blue: Nitrogen, Green: Alkyl group(-C7H15))가 옥틸아민(Octylamine)을 통해 그래핀 표면에 형성 됨으로써 유기용매 분산도를 높이고 PEIE층과 더욱 강한 전기적결합으로 인해 박막 형성 시 균일한 단일층을 형성하고 이를 통해 증가된 태양전지의 효율과 안정성에 기여 하였다.

 

. 기능화된 산화아연-그래핀 양자점 제작 방법

디메틸포름아마이드(N,N-dimethylforamide)에 산화된 흑연(graphite)을 넣고 분산기에서 분산시켜 준다. 그리고, 디메틸포름아마이드(N,N-dimethylforamide)Zinc acetate dehydrate 를 넣고 저어준다. 분산시킨 산화된 흑연 용액과 Zinc acetate dehydrate 용액을 섞고 일정한 온도로 유지시킨다. 처음 용액의 색은 검은색이지만 30분 후 용액은 투명하게 변하게 되고 1시간이 지나면 용액은 뿌옇게 변하면서 점차 흰색을 띄는 용액이 된다. 일정한 시간 후, 투명한 용액에 검은 갈색 빛이 있는 파우더가 생기는데, 이 파우더를 에탄올로 세척하고 다시 증류수로 세척한 다음 오븐에서 천천히 건조시켜 준다. 완성된 산화아연-그래핀과 옥틸아민(Octylamine)을 적당한 온도에서 일정시간 반응시켜주고 반응이 끝난 후 유기용매로 세척한 다음 동일한 방법으로 천천히 건조시키면 해당 파우더를 얻을 수 있다.

 

. 기능화된 산화아연-그래핀 기반의 태양전지 제작방법

ITO가 코팅된 유리기판을 에탄올(Ethanol), 아세톤(Acetone), 2-프로필알콜(2-propanol)로 초음파 세척 후 표면처리를 위해 O2 플라즈마로 적정 시간동안 플라즈마처리 한다. 그 후 표면개질 고분자인 PEIE를 적층하고 110에서 적정시간동안 열처리를 해준 뒤 기능화된 산화아연-그래핀을 적층하고 110에서 열처리해준다. 질소분위기에서 광활성층이 되는 PTB7:PC71BM(또는 PTB7-th:PC71BM)120nm로 적층하고 최종적으로 열증착기를 통해 몰리브덴옥사이드(MoO3) 10nm (Ag) 80nm를 적층하여 기능화된 산화아연-그래핀 기반의 태양전지를 제작할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

그림자료 설명

 

 

<그림 1> ‘Nano Energy’2016114일자 온라인판에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지. 화학적으로 기능화된 산화아연 그래핀 양자점이 표면개질 고분자 (PEIE) 위에 단일층으로 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 기능화된 산화아연 그래핀 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공 형성에 도움을 주어 전지의 광전변환효율의 향상에 도움을 주는 전자수송층 역할을 물론이고, 광흡수, 광산란 특성 등의 다기능한 역할과 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다.

 

 

 

<그림 2> 산화아연-그래핀 양자점에 옥틸아민(Octylamine)을 결합하여 기능화 시켜서 합성된 산화아연-그래핀 양자점 이미지.

 

 

 

<그림 3> 기능화된 산화아연 그래핀 양자점 단일층을 이용한 유기태양전지의 구조: (a) 기능화된 산화아연 그래핀 용액을 투명한 PEIE 고분자 표면에 코팅한 다음, 이 위에 별도의 추가 공정 없이 유기태양전지(OSC, organic solar cell)를 구성하면 태양전지 제작이 가능하다. (b) 기능화된 산화아연 그래핀 양자점이 단일층으로 형성됨을 확인함을 분석 이미지.

 

 

 

 

<그림 4> 기능화된 산화아연 그래핀 양자점 단일층을 이용한 유기태양전지의 특성: (a) 기능화된 산화아연 그래핀 양자점을 활용한 경우, 전지의 효율이 향상됨을 확인할 수 있다. (b) 양자점 단일층에 의한 안정성 증가 확보

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

용 어 설 명

 

 

1. 나노 에너지(Nano Energy)

Elsevier에서 발행하는 에너지재료 분야의 세계적인 권위의 학술지이다 (파급지수, IF=10.325, 2014).

 

2. 양자점(Quantum dot)

양자점(quantum dot)은 지름 수십 나노미터() 이하의 0차원 반도체 결정물질이다. 양자점은 그 크기가 매우 작아 특이한 성질을 가지는데 입자가 작을수록 파장이 짧은 빛을 내고 입자가 클수록 파장이 긴 빛을 낸다. 양자점 안에 갇힌 전자의 에너지 준위는 양자점 부피의 3분의 2승에 반비례한다. 따라서 양자점의 부피가 클수록 양자점이 흡수, 또는 방출하는 에너지가 작고, 양자점의 부피가 작을수록 양자점이 흡수, 방출하는 에너지가 크다. 입자의 에너지는 입자의 파동의 반비례하므로, 양자점이 클수록 파장이 긴 빛을 내고 작을수록 파장이 짧은 빛을 낸다. 양자점은 전자소재, 태양전지, 디스플레이 등 다양한 분야에서 응용된다. 양자점의 크기에 따라 흡수하는 파장의 영역이 다르므로 다양한 크기의 양자점을 이용해 태양전지를 만들면 일반적인 태양전지가 흡수하는 영역 이외의 파장을 흡수할 수 있다. 일반적인 태양전지는 자외선과 파란색 영역의 짧은 파장만 흡수할 수 있지만, 양자점을 이용하면 파장이 긴 가시광선 영역의 빛을 흡수해 태양전지의 에너지 효율을 더 높힐 수 있다. 또한 양자점은 크기와 전압에 따라 별도 장치가 없어도 스스로 각각 다양한 색의 빛을 내는 차세대 발광소자여서 디스플레이 구조에서 빛을 내는 가운데층의 발광물질로 유기물질이 이용되는 유기발광다이오드(OLED)에 비해 생산 비용이 적게 들고, 디스플레이의 크기를 크게 할 수 있으며, 색 재현율이 좋아 현재 상용화된 디스플레이를 대체할 기술로 주목받고 있다.

 

3. 그래핀 (Graphene)

그래핀(graphene)은 탄소의 동소체 중 하나이다. 탄소 원자들이 각각 sp2 결합으로 연결된 원자 하나 두께의 2차원 구조로, 벤젠 형태의 탄소 고리가 벌집 형태의 결정 구조를 이룬다. 흑연과 비슷한 결정 구조를 가지지만 한 개의 층을 가진다.

 

4. 그래핀 양자점 (Graphene Quantum dot)

그래핀 양자점은 새로운 종류의 양자점으로 탄소 원자 하나의 두께를 가지고 수십 나노미터 이하의 직경을 가지는 디스크 모양의 그래핀이다. 이론적으로 그래핀 양자점의 밴드갭은 그래핀이 가지는 0 eV로부터 그래핀의 기본 구조인 벤젠의 밴드갭 까지 조절 가능 하다는 가능성이 있다. 그래핀 양자점은 낮은 독성, 높은 용해성, 형광 안정성 등의 장점을 가진다.

 

5. 유기태양전지(Organic solar cell)

태양전지란 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서 특히 유기태양전지는 실리콘 태양전지, 박막태양전지에 이어 3세대 태양전지에 속하는 신기술에 해당하며, 크게 유기(고분자)반도체와 염료감응형 태양전지로 구분된다. 1세대 태양전지인 실리콘 태양전지는 고효율을 무기로 현재 태양전지 시장의 80~90%를 점유하고 있다. 이에 비해 아직까지 유기태양전지는 효율이 낮으나 유기물이 제공하는 가격경쟁력, 공정의 유연성 및 응용 가능성이 높다는 장점을 가진다.

 

손동익 박사 (주저자, 교신저자) 이력사항

 

 

1. 인적사항

성 명 : 손동익

소 속 : 한국과학기술연구원 전북분원

복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터

 

2. 주요경력사항

2013현재 한국과학기술연구원 선임연구원

2013현재 과학기술연합대학원 대학교 (UST) 부교수

20102012 한국과학기술연구원 박사후연구원(star post-doc.)

2012.112012.12 Visiting Researcher Fellowship, Catholic University of Leuven (벨기에) 물리학과

 

최원국 박사 (공동교신저자) 이력사항

 

 

1. 인적사항

성 명 : 최원국

소 속 : 한국과학기술연구원

미래융합기술연구본부장

 

2. 주요경력사항

2014~현재 한국과학기술연구원 미래융합기술연구본부장

1996~현재 한국과학기술연구원 책임연구원

2012현재 과학기술연합대학원 대학교 (UST) 정교수

2012~2014 한국과학기술연구원 계면제어연구센터장

1993~1996 University of Oregon 박사 후 연구원

 

 

 

배수강 박사 (공동교신저자) 이력사항

 

 

1. 인적사항

성 명 : 배수강

소 속 : 한국과학기술연구원 전북분원

복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터

2. 주요경력사항

2012~2013 성균관대학교 SAINT 박사 후 연구원

2013~현재 한국과학기술연구원 선임연구원

2015현재 한국진공학회 반도체 및 박막분과회 운영위원

 

 

 

문병준 (공동주저자) 이력사항

 

 

1. 인적사항

성 명 : 문병준

소 속 : 한국과학기술연구원 전북분원

복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터

 

2. 주요경력사항

2013현재 한국과학기술연구원 연구원

 

 

 

 

 

이규승 (공동주저자) 이력사항

 

 

1. 인적사항

성 명 : 이규승

소 속 : 한국과학기술연구원 전북분원

복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터

 

2. 주요경력사항

2014~현재 한국과학기술연구원 전북분원 학생연구원