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그래핀 투명 전극을 적용한 유기 ....

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현재 유기 태양 전지(OSCs; Organic Solar Cells)에서 투명 전극으로 ITO(Indium Tin Oxide)가 가정 널리 활용되고 있지만 가격이 비싸고 화학적으로 불안정한 물질이라 할 수 있다. 또한 ITO는 휘어짐에 따라 쉽게 깨질 수 있기 때문에 플렉서블이라는 근본적인 OSCs 장점을 살릴 수 없다. 탄소 단원자 두께로 구성된 그래핀은 다방면의 응용 잠재력을 보이고 있으며, 그 중에서도 투명한 플렉서블 전극 분야가 집중적인 조명을 받고 있다.

홍콩 The University of Hong Kong 소속 Wallace C. H. Choy 교수가 이끄는 연구진은 Al-TiO2 복합체가 포함된 단일층 그래핀을 투명 전극으로 활용하여 유기 태양 전지를 제작하는데 성공했다. 연구 결과는 2013년 1월 17일자 ACS Nano지에 “Al-TiO2 Composite-Modified Single-Layer Graphene as an Efficient Transparent Cathode for Organic Solar Cells”란 제목으로 게재됐다.

단일층 그래핀(SLG; Single Layer Graphene)은 파장 500nm 빛에 대해 96.0%의 투과도, 그리고 1.2 kohm/sq.의 면저항 특성을 나타냈다. 그래핀을 음극으로 활용하기 위해서는 전하 수송층을 코팅해야 하는데, 그래핀의 소수성(hydrophobic) 특성 때문에 표면 코팅이 어렵다. 따라서 기존의 스핀 코팅을 활용하게 되면 OSCs의 높은 전력변환효율(PCE; Power Conversion Efficiency)을 이끌어낼 수 없다.

연구진은 열적 증착법을 통해 그래핀 표면에 0.5nm 수준의 Al 클러스터를 형성했다. 이를 통해 그래핀 표면의 소수성 특성을 크게 낮춤으로써, 추가적인 박막 코팅 공정을 가능하게 할 수 있다. 또한 그림 1(a)의 에너지밴드 다이어그램을 살펴보면 일함수(work function)가 4.6 eV에서 4.1 eV로 감소함으로써 전자수송층(ETL; Electron Transport Layer)으로 활용되는 TiO2 박막 사이에서 전하 이동이 활발해진다. 즉, 전체적인 소자의 PCE 향상을 이끌어낼 수 있는 것이다. TiO2 박막 증착시 기존의 스핀 코팅 방법의 경우 그림 2(a)와 같이 불균일한 중합체를 형성함으로써 전체적인 소자의 균일도를 저하시킬 수 있다. 이에 연구진은 TiO2 용액의 자가정렬법을 통해 10~100 nm 두께의 고품질 TiO2 박막 코팅 기술을 개발했다.

전체적인 소자는 Inverted형 OSCs로서, 활성층으로는 P3HT:PCBM을 활용하고, 정공수송층(HTL; Hole Transport Layer)으로는 MoO3, 마지막으로 양극으로 Ag 박막을 형성했다. 그림 3과 같이 제작된 소자의 전류밀도-전압 특성을 확인한 결과 JSC=8.55 mA/cm2, VOC=0.60V, FF=50.1%, 그리고 PCE=2.58% 수준으로 나타났다. 스핀 코팅된 TiO2 박막을 적용한 경우 PCE=0.14% 수준으로 명확한 차이를 나타냈다. 연구진은 Al 클러스터 형성을 통한 그래핀의 표면 특성 제어 및 에너지밴드 정렬, 그리고 자가정렬 TiO2 박막 형성 공정을 통해 그래핀 전극을 적용한 OSCs의 가능성을 입증하는데 성공했다.

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