글쓴이 김대현
등록일 13-01-25 17:48
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그래핀 전극을 적용한 유기 태양전지의 향상된 UV 응답 특성http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cont_cd=GT&record_no=232597 | |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-08-20 | <form method="post" name="view_btn"> </form> |
 유기물을 이용한 광전자소자는 무기물과 비교하여 차세대 저비용 플렉서블 소자 개발에 높은 잠재력을 지니고 있다. 이러한 연구 개발을 위해 가장 중요한 요소는 바로 투명전극으로 활용되는 ITO(Indium Tin Oxide)로서, 인듐은 희귀금속으로 자원이 부족하고 가격 변동 폭이 매우 큰 단점이 있다. 미국 University at Albany?State University of New York 소속 Ji Ung Lee 교수가 이끄는 연구진은 유기 태양전지 내에 그래핀 전극을 적용함으로써 향상된 UV 응답 특성을 입증했다. 연구 결과는 2012년 8월 8일자 Applied Physics Letters지에 “Enhanced ultraviolet response using graphene electrodes in organic solar cells”란 제목으로 게재됐다. 단일층의 탄소로 구성된 그래핀은 높은 전하 이동도 및 자외선(UV; ultraviolet)에서부터 적외선(IR; infrared) 영역에 이르기까지 높은 투과도를 균일하게 나타낼 뿐만 아니라 기계적 유연성과 화학적 안정성을 모두 지니고 있다. 연구진은 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 통해 합성된 그래핀을 유리 기판 위에 반복적으로 전사하여 4층의 그래핀을 형성하고, 그림1(b)와 같은 광학 현미경 이미지 및 라만 스펙트럼 결과를 확인할 수 있었다. 유기 태양광소자(OPVs; Organic Photovoltaics)는 표면의 거칠기에 따라 국부적인 문제을 일으킬 수 있기 때문에 고품질의 그래핀을 형성하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 그래핀의 가장 큰 장점은 그림 2와 같이 UV 영역에서 투과도가 크게 저하되는 ITO와 달리, 균일하게 높은 투과도를 유지한다는 것이다. 예를 들어 파장 330nm 영역에서 4겹의 그래핀과 ITO는 각각 82%, 62%의 투과도를 기록했다. 연구진은 순수한 그래핀의 특성을 확인하기 위해 어떠한 화학적 처리 없이 450ohm/sq.의 면저항을 갖는 4겹 그래핀과 20ohm/sq.의 면저항을 갖는 ITO를 활용해 그림 1과 같은 OPVs 소자를 제작했다. 그림 3.은 제작된 OPVs 소자의 전류-전압 특성을 보여주고 있다. 그래핀 전극을 적용한 경우 ITO와 비교해 FF(Fill Factor)는 낮게 나타나는 반면, 단락 전류밀도 JSC는 높게 나타났다. 광흡수 측정을 진행해보면 가시광선 영역의 스펙트럼은 대체로 비슷하게 나타나고, 파장 600nm 영역에서 그래핀 샘플의 흡수도가 높게 나타나는데 이는 P3HT 도메인의 결정성이 더 높은 것으로 해석할 수 있다. UV 영역에서는 확실한 차이를 나타내는데, 그래핀의 경우 PCBM에 의한 적절한 흡수 현상이 나타나는 반면, ITO 샘플의 경우 대부분 ITO 자체에서 흡수되고 만다. 정규화된 광전류 분석을 통해 그래핀 샘플은 ITO와 비교해 UV 영역에서 상당한 광전류를 발생시켜 높은 단락 전류밀도를 얻을 수 있었다. 수치적으로는 약 7%의 광전류 향상을 이끌어낼 수 있었다. FF의 경우 그래핀이 상대적으로 높은 면저항을 갖기 때문으로 태양광소자 개발을 위해서는 클리닝 및 전사법 기술의 개발을 통해 그래핀 자체의 특성을 향상시킬 필요가 있을 것이다. 그래핀을 적용함으로써 최대 1.79%의 효율을 얻을 수 있었다. 그래핀은 UV 영역에서도 높은 투과도 특성을 바탕으로 더 많은 광전류를 흡수, 생성할 수 있고, 태양광 소자의 높은 단락 전류밀도로 이어질 수 있었다. 하지만 상대적으로 높은 면저항은 전력변환효율의 상승을 저해하는 요인으로서, 그래핀 자체의 프로세스 개발을 통해 OPVs 특성 향상을 이끌어낼 수 있을 것으로 분석했다. 그림 1. (a) 제작된 유기 태양광 소자의 모식도. (b) 유리 기판 위에 올려진 4겹의 그래핀에 대한 광학 이미지로, 우측은 확대 이미지. 하단에는 라만 스펙트럼 분석 결과. 그림 2. 파장에 따른, 그리고 그래핀 겹수에 따른 투과도 특성 분석 그래프로 ITO에 대한 결과도 함께 비교 분석됨. 삽입된 그래프는 파장 550nm에서 그래핀 겹수에 따른 투과도를 나타냄. 그림 3. 그래핀 및 ITO 전극으로 구성된 유기 태양광 소자의 전류-전압 특성. | |
