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그래핀 전극을 적용한 플렉서블 유....

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플렉서블 유기 태양 전지는 휴대 가능한 또는 착용 가능한 전자소자, 인공 합성 피부, 그리고 건축물에 적용 가능한 태양 전지 등의 측면에서 주목을 받고 있다. 최근 집중적인 연구가 이루어지고 있는 유기 태양광 소자는 용액 공정을 통해 플렉서블 기판 위에 제작이 가능하기 때문에, 앞에서 언급한 응용 기술들을 실현할 수 있는 잠재력이 있다.

홍콩 The Hong Kong Polytechnic University 소속 Feng Yan 교수가 이끄는 연구진은 그래핀 상부 전극을 활용하여 패키징이 필요 없는 플렉서블 유기 태양 전지를 개발했다. 연구 결과는 2013년 4월 2일자 Advanced Materials지에 “Package-Free Flexible Organic Solar Cells with Graphene top Electrodes”란 제목으로 게재됐다.

연구진은 그림 1(a)와 같이 역구조의 플렉서블 유기태양전지를 제작했다. 폴리이미드(PI; polyimide) 기판 위에 금속 박막을 증착하고, 다음으로는 정공차단층(HBL; Hole Blocking Layer)으로 활용되는 ZnO 박막을 코팅했다. 그리고 P3HT/PCBM 활성층을 스핀 코팅했다. 마지막으로 PEDOT:PSS 및 금 나노입자로 도핑된 그래핀/PMMA를 활성층 위에 전사했다. 그래핀은 PEDOT:PSS를 통해 효과적으로 도핑 가능한데, 이를 극대화하기 위해 PEDOT:PSS에 금 나노입자를 첨가했다. 그림 1(b)의 투과전자현미경 이미지에서 보여지듯 첨가된 금 나노입자는 약 5 nm의 크기이다. PEDOT:PSS만 도핑된 그래핀은 285 ohm/sq.의 면저항을 갖는 반면, 금 나노입자를 첨가함으로써 158 ohm/sq. 수준의 면저항을 이끌어낼 수 있다.

양극 물질로는 그림 2(a)와 같이 Al, Cu, 그리고 Ag를 테스트했다. Al 전극을 활용하는 경우 어떤 광전류도 발생하지 않았다. 이는 대기 중에서 소자가 제작되는 동안에 Al이 산화되기 때문이다. Cu를 활용하는 경우 단락전류밀도 10.48 mA/cm2, 개방전압 0.38V, FF(Fill Factor) 34.5%, 그리고 전력변환효율(PCE; Power Conversion Efficiency) 1.39%를 기록했다. 하지만 Cu 또한 쉽게 산화되기 때문에 소자 성능을 저해할 수 있는 단점이 있다. 반면에 Ag는 더 안정적이고 전도성이 높은 물질로서 단락전류밀도 10. 8 mA/cm2, 개방전압 0.591V, FF(Fill Factor) 45.7%, 그리고 전력변환효율(PCE; Power Conversion Efficiency) 2.91%의 특성을 얻을 수 있었다.

제작된 소자는 반복적인 휨 실험에서도 상당한 유연성을 입증했다. 그리고 그래핀 겹수에 따른 유기태양전지의 성능 변화도 확인할 수 있었다. 연구진은 상부 전극에 대해 특별한 패키징 없이 안정적인 유기 태양 전지를 제작할 수 있었으며, 소자 공정을 간소화할 수 있는 장점을 선보였다.

그림 1. 역구조의 유기태양전지에 대한 모식도. PI / Metal / ZnO / P3HT:PCBM / PEDOT:PSS(Au) / Graphene / PMMA. (b) PEDOT:PSS 내 금 나노입자에 대한 투과전자현미경 이미지. 우측 상단에 삽입된 그림은 금 나노입자에 대한 제한시야 전자회절(SAED; Selected Area Electron Diffraction) 측정 결과. (c) PEDOT:PSS 및 Au 도핑 전과 후에 대한 단일층/다중층 그래핀의 면저항 특성. (d) 그래핀 겹수에 따른 투과도 스펙트럼.
 

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