고효율 유기 박막 태양전지의 개발

고효율 유기 박막 태양전지의 개발

유기 박막 태양전지는 저비용이면서 저환경 부하의 차세대 태양 전지로서 기대되고 있다. 일본 산업기술총합연구소, 태양광 발전 연구센터의 연구그룹은 이번에 p-i-n 접합형 유기 박막 태양전지를 개발했다. 이 태양전지는 AM1.5G(주1)의 유사 태양광 조사(照射)시 약 4%의 에너지 변환 효율을 실현하고 있으며, 이 특성은 유기 박막 태양전지로는 세계 최고 레벨이라고 한다.

유기 재료는 가볍고, 유연하며, 저비용이라는 특징을 가지고 있어 종래의 실리콘 재료로는 구현할 수 없는 용도, 즉 웨어러블이나 유비쿼터스 등 인체 장착용 기기의 전원으로서의 이용이 크게 기대되고 있다.

그러나 에너지 변환 효율은 1% 내외에서 좀처럼 향상되지 않기 때문에 오랜 기간 동안 연구 개발이 정체되어 온 것도 사실이다. 최근에는 유기 박막 태양전지와 유사한 구조의 발광 소자인 유기 EL 소자가 이미 실용화 되고 있으며, 실용화 레벨에 근접하고 있는 유기 반도체 디바이스에 관한 다양한 지식이 축적되어, 이러한 결과를 유기 박막 태양전지에 응용하려는 시도가 활발히 진행되고 있다. 또한 축구공형 분자로서 각광을 받고 있는 플러렌(C60)이 뛰어난 n형 반도체로서 기능한다는 사실이 밝혀져, 유기 박막 태양전지가 부활하기 위한 기술적인 조건이 마련되고 있다.

유기 박막 태양전지가 지금까지 높은 에너지 변환 효율을 달성할 수 없었던 이유는, 유기 박막 태양전지의 경우, 유기 반도체에서 형성되는 p-n 접합의 광전 변환층의 두께가 수 나노미터 정도로 매우 얇기 때문에 종래의 단순 적층형 태양전지로는 빛의 이용 효율이 낮고 큰 광 전류를 도출할 수 없었기 때문이다. 이 때문에 유기 박막 태양전지의 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해서는 광전 변환층의 확대에 의한 광 이용 효율의 개선이 문제 해결의 핵심 기술이 되어왔다.

연구 그룹에서는 유기 반도체가 분자 레벨에서 3차원적인 p-n 접합을 형성하는 나노 구조의 상호작용층(i층)을 p-n 접합 계면에 새로 도입하는 방법을 통해, 분자 레벨에서의 p-n 접합 형성을 가능케 하는 나노 p-n 접합이 다수 형성하여 광전 변환층을 확대할 수 있다는 사실을 발견하였다.

앞서 언급한 고성능 n형 반도체인 플러렌과 신간선의 도료 등에 사용되고 있는 범용 재료인 p형 유기 반도체인 아연 프탈로시아닌(ZnPc)를 이용하여 진공 증착법에 의해 디바이스를 제작하였다. ZnPc와 C60으로 형성되는 p-n 접합 계면에 ZnPc와 C60을 혼합한 나노 구조층(ZnPc:C60, i층)을 도입하여 p-i-n 접합형 유기 박막 태양전지를 제작한 결과, 에너지 변환 효율을 4%까지 향상시킬 수 있었다.

이 연구 성과는 유기 반도체의 총 막 두께가 50nm의 매우 얇은 상태에서도 높은 에너지 변환 효율의 태양전지 특성을 얻을 수 있다는 것을 밝힌 것으로, 단위 막 두께당으로 환산하면 무기재료를 포함하여 전 태양전지 중에서도 가장 높은 값이다. 이 기술에 의해 유기 박막 태양전지의 에너지 변환 효율의 고효율화를 위한 핵심 기술이 확보되었으며, 이는 플라스틱 필름 태양전지의 실현을 크게 가속할 것으로 기대된다.

(주1) AM1.5G: 태양전지의 에너지 변환 효율을 구할 때 사용하는 태양광을 모사한 표준적인 광원으로부터 나오는 광 스펙트럼의 호칭이다. 측정에 이용하는 광 스펙트럼이 AM1.5G와 다르면 태양전지로서의 에너지 변환 효율 측정에 오차가 발생한다.

(그림1) 개발한 유기 박막 태양전지의 모습.
(그림2) p-n 접합에 나노 구조층을 도입한 분자 p-i-n 접합 계면의 확대.