유기태양전지 개발 동향 - 화학공학소재 ... · 유기태양전지 개발 동향 이 행 근†⋅송 창 은⋅이 상 규⋅이 종 철⋅신 원 석 한국화학연구원

36 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

1. 서 론1)

현재 세계는 에너지 혼란 속에 있다. 기하급수

적으로 증가하는 에너지 수요에 부응하면서, 지속

가능한 미래 환경을 위해 대기 중 이산화탄소 수

준을 450 ppm 이하로 제한해야 하는 요구를 만족

하기 위해, 기존의 화석 연료를 벗어난 새로운 에

너지 시스템이 요구되고 있다. 이 중 태양전지는

친환경적이고 무한한 에너지원인 태양에너지를

사용하는 측면에서 차세대 에너지 시스템으로 오

랜 기간 연구되어 왔다. 실리콘을 사용한 1세대를

시작으로 2세대 무기박막 태양전지를 거쳐 염료감

응형, 페로브스카이트, 양자점, 유기 태양전지를

포함하는 3세대 태양전지까지 다다른 태양전지 기

술은 실리콘 기술의 주도 아래 신재생 에너지에서

점차 영역을 확대해 가고 있다. 이 중 유기태양전

지는 기타 태양전지와 비교했을 때 연속 공정으로

인한 낮은 생산 비용, 가볍고 유연한 소자 가능성,

짧은 에너지 회수 기간(energy payback time)으로

인해 실용화 가능성에 많은 기대를 모아왔으나 낮

은 광전 변환 효율(power conversion efficiency)

†주저자 (E-mail: [email protected])

및 장기 안정성으로 인해 현재까지 실생활에 적용

되지 못하고 있는 실정이다. 그러나 최근 고성능

구현을 위한 신소재 개발 및 태양전지의 작동을

제한하는 나노구조 제어 기술의 발달에 힘입어 최

고 12% 이상의 성능이 구현됨으로써 기타 태양전

지 기술과 경쟁할 수 있는 잠재력이 있음을 보여

주고 있다. 본 고에서는 이러한 유기 태양전지의

소재(도너, 억셉터) 및 소자의 기술 개발 동향 및

국내외 업체 동향을 간략하게나마 정리함으로써

최근 기술 변화에 대한 이해를 돕고자 한다.

2. 도너 소재

2.1. 고분자 도너(donor) 소재

이종 접합 구조(bulk heterojunction : 도너와 억

셉터의 계면이 무작위하게 접하고 있는 구조)를

지닌 유기태양전지의 광활성층에 적용되는 고분

자 도너 소재를 소개하고자 한다. 여기서 소개되

는 고분자 도너 소재는 용액공정용 소재를 의미하

며 소자의 효율은 PC71BM (phenyl C71 butyric

acid methyl ester)을 억셉터(acceptor)로 사용한

결과이다.

유기태양전지 개발 동향

이 행 근†⋅송 창 은⋅이 상 규⋅이 종 철⋅신 원 석

한국화학연구원 광에너지융합소재 연구센터

Trends of Organic Solar Cell Development

Hang Ken Lee†, Chang Eun Song, Sang Kyu Lee, Jong-Cheol Lee, and Won Suk Shin

Center for Solar Energy Materials, Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT)

Abstract: 차세대 신재생 에너지로서 유기태양전지는 최근 신규 소재 및 소자 기술의 개발에 힘입어 비약적인 발전을

이루고 있다. 본 고에서는 용액형 고분자 및 저분자 도너 및 비플러렌계 억셉터 소재, 소자 구조 최적화를 위한 다양한

소자 기술을 포함한 기술 동향과 이에 기반한 국내외 업체 동향을 함께 소개하고자 한다.

Keywords: organic solar cell, trend of research and industry, non fullerene acceptor, device optimization, photo-stability

기획특집: 차세대 태양전지


KIC News, Volume 20, No. 2, 2017 37

고분자 도너 소재를 사용한 유기태양전지의 에

너지 변환효율을 증대시키기 위하여 고분자의 구

조 최적화를 통한 효율 증대를 위해 다양한 이론

적, 실험적 방법이 시도되고 있다. 특히 장파장 빛

의 효율적인 흡수, 억셉터와의 적절한 에너지 준

위 형성, 전자 및 정공이동의 균형, 적절한 박막

(morphology) 형성, 화학적 안정성, 용해도와 같은

특성들을 고려하여 고분자 도너 소재의 구조 설계

및 합성이 진행되고 있다.

1992년 공액고분자(도너)와 PCBM (억셉터) 사

이의 광전하 이동현상 발견[1]과 1995년 많은 전

하의 생성에 유리한 소자구조인 이종접합구조 개

념의 도입으로 공액계 고분자의 유기태양전지 적

용 관련 연구가 본격적으로 시작되었다[2]. 고분자

도너 소재에 대한 연구는 고전적인 MEH-PPV

(Poly(2-(2-ethylhexyloxy)-5-methoxy-1,4-phenyl-

ene- vinylene)), MDMO-PPV (Poly(2-methoxy-5-

(3,5-methyloctyl-oxy)-1,4-phenylene- vinylene)) 등

의 고분자를 시작으로 정공이동도 및 결정성의 장

점을 보유한 P3HT [Poly(3-hexylthiophene)] 고분

자가 개발되었고 이 고분자의 효율 향상을 위한

연구가 진행되어 왔다. 그러나 P3HT의 구조상 예

상되는 최고 효율은 7%로 대면적 적용에는 제한

적으로 활용되고 있다. 유기태양전지의 효율 향상

을 위한 효율적인 태양광을 흡수를 위해 고분자의

구조적 접근으로 밴드갭(bandgap)을 조절하는 방

법이 있다. 밴드갭 2.0 eV (620 nm)으로는 태양으

로부터의 광자를 30% 정도밖에 흡수하지 못하나

1.1 eV (1100 nm)의 밴드갭을 가지는 고분자로서

는 이론적으로 광자의 흡수율을 77% 정도까지 향

상시킬 수 있다. 그러므로 태양광 스펙트럼의 장

파장까지 흡수 영역이 확대 가능한 1.8 eV 이하의

저 밴드갭(low bandgap)을 갖는 도너 고분자들이

연구 개발되기 시작하였다. 저 밴드갭 고분자는 분

자구조 내 전자주개(donor)기와 전자받개(acceptor)

기가 같이 결합된 공중합체(copolymer) 형태의 구

조로서 밴드갭의 조절과 구조적 평면성으로 인한

전하이동도의 증대효과를 기대할 수 있다. 플루오

렌(fluorene), 티오펜(thiophene), 카바졸(carbazole)

등과 같은 전자주개기와 벤조티아디아졸(benzothia-

diazole) 등과 같은 전자받개기를 이용한 고분자들이

보고되기 시작하였다. PCDTBT (6.0%)[3], PCPDTBT

(5.5%)[4]. PSBTBT (1.45 eV 밴드갭을 가지며

4.75% 이상의 효율)[5] 등의 고분자가 발표되었다.

다양한 전자주개기들 중 특히 구조의 안정성 및

평면성 등의 특성을 보유한 벤조디티오펜(benzodi-

thiophene, BDT) 구조를 활용하여 효율향상을 기

대한 다양한 고분자 소재들이 보고되었다. PBDTTPD

[6] 고분자의 경우 벤조디티오펜 구조를 지닌 최

초의 고분자로서 5.5% 효율을 나타냈으며 이어서

벤조디티오펜과 전자받개기로서 티에노티오펜

(thienothiophene, TT) 구조를 결합한 고분자의 경

우 다양한 구조 최적화를 통해 효율 7% 이상의

PTB7 (7.4%)[7]이 발표되었으며 소자 최적화 과

정을 거쳐 역상(inverted) 소자 구조에서 9.2%의

최고효율이 보고되었다[8].

PTB7 분자 구조의 최적화를 통해 2차원 형태로

분자구조의 평면성을 증대시켜 전하이동도의 증

가를 통해 효율 향상을 기대한 PTB7-Th (9.5%)

고분자는 예상대로 9% 이상으로 효율이 향상되었

으며[9] 소자 최적화를 거쳐 최고 효율 10.8%가

보고되고 있다. 동일한 개념으로 벤조디티오펜 구

조를 확장시킨 PBDTT-S-TT (8.42%)[10]와 10%

이상의 최고 효율을 가진 PBT1-EH 고분자가 발

표되었다[11].

전하이동도가 높은 작용기로 알려진 이소인디고

(isoindigo) 작용기를 전자주개기로 도입한 TBTIT-h

고분자의 경우 9.1%의 효율이 보고되었다[12].

최근 유기태양전지 필름의 상용화를 앞두고

roll-to-roll 공정에 적합한 고분자 도너 소재의 개

발이 요구되고 있다. 즉 고분자 화합물의 광안정

성, 합성의 용이성, 저가 대량생산, 대기조건에서

의 공정, 친환경 용매의 사용, 300 nm 이상의 광

활성층 두께에서의 고효율 유지, PC61BM과의 호

환성 등의 조건을 충족할 수 있는 고분자 도너 소

재가 요구되고 있다. 이러한 요구에 근접한 소재

로서 Kazuo Takimiya 그룹과 Yong Cao 그룹에서

발표된 PNTz4T[13] 및 NT812[14] 고분자는 나프


38 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

토비스티아디아졸(Naphthobisthiadiazole, NT) 작

용기를 전자받개기로 도입한 고분자로서 각각

10% 이상의 고효율을 보고되었다. 특히, 전하이동

도 증대 효과를 보이는 face-on의 광활성층 구조

를 지니며, 친환경용매(xylene)의 사용, 300 nm 두

께의 소자 조건에서 고효율을 나타내므로 고분자

구조의 최적화를 통한 효율 향상 및 대면적 적용

을 기대하고 있다. He Yan 그룹의 PffBT4T-2OD

고분자는 디플루오로벤조티오디아졸 작용기를 전

자받개기로 활용하여 300 nm의 광활성층 두께 및

다양한 PCBM 유도체와의 효율 측정에서 9.6% 이상

최고효율 10.8%이 보고되었고[15], PffBT4T-2OD 구

조의 최적화를 통하여 2-nonytridecyl기를 도입한

PffBT4T-C9C13 고분자로서 11.3%의 최고 효율

을 보고하였다[16]. 특히 이 화합물은 트리메틸벤

젠(trimethylbenzene) 용매를 사용함으로써 친환경

적인 공정에 적합한 화합물이라는데 의의가 있다.

2.2. 저분자 도너 소재

저분자 도너 소재는 고분자 도너 소재가 갖는

고분자 분자량 분포의 재현성 부족, 그에 따른 성

능 편차 및 고순도화의 어려움 등의 단점들을 보

완하기 위하여 2009년 이후 활발하게 연구 개발되

고 있는 소재이다. 저분자 도너 소재는 진공 증착

용 도너 소재의 합성 전략과 비슷하게 크게 염료

유도체나 올리고티오펜(oligothiophene) 및 전자주

개-전자받개(push-pull) 형태로 나누어지며 물질의

용해도 향상을 위해 알킬기가 포함된 구조가 많다.

메로시아닌(Merocyanine) 염료 기반의 저분자

는 높은 흡광계수와 쉬운 에너지 준위 조절을 장

점으로 지니며, Squarine 염료 계열의 물질들은

500~900 nm까지의 넓은 흡광 파장을 나타내며 높

은 흡광 계수와 광화학적 및 열적 안정성을 보유

하고 있어 유기태양전지에 자주 이용되고 있으며

PC71BM (phenyl-C71-butyric acid methyl ester)

을 억셉터로 사용하여 5.5%의 에너지 변환 효율

이 보고된 바 있다[17].

올리고티오펜(Oligothiophene)은 처음 sexithio-

phene을 대표로 하는 증착 공정용 물질로 개발되

었고 1차원, 2차원, 3차원으로 그 구조를 다양화

할 수 있으며 밴드갭이 적당하고, 티오펜(thio-

phene) 자체의 성질이 이미 많이 알려져 있는 등

의 장점으로 인해 용액 공정용으로도 개발되기 시

작했으며 용해도를 높이기 위하여 분자구조에 알

킬기를 도입하거나 분자구조의 말단이나 중심에

전자주개 혹은 전자받개기를 첨가시켜 부분적인

전자주개-전자받개(push-pull) 형태로 혼합해서 합

성하기도 한다. 전자주개-전자받개(Push-pull) 형

태의 도너 소재는 염료감응형 태양전지에서 사용

하던 push-bridge-pull 전략(전자를 주는 그룹-전자

를 전달하는 그룹-전자를 당기는 그룹의 순으로

분자 구조를 설계하는 전략)을 모방하여 대칭적

구조로 설계되는 경우가 많으며 전자주개 작용기

로는 아릴아민(arylamine), 플루오렌(fluorene), 카

바졸(carbazole), 디티에노벤젠(dithienobenzene), 디

티에노실로렐(dithienosilole), 시클로펜타디엔(cyclo-

pentadiene) 등이 있으며 전달 작용기로는 주로 티

오펜(thiophene), 전자받개 작용기는 벤조티아디아

졸(benzothiadiazole), 디케토피롤로피롤(diketopyrrolo-

pyrrole) 등이 있다. 전자주개-전자받개(Push-pull)

형태의 도너 소재의 장점은 밴드갭이 작아 장파장

까지 빛을 흡수하며 밴드갭 조절이 용이하고 알킬

기 도입이 용이하여 높은 용해도를 보유할 수 있

다는 장점이 있다.

대표적인 구조로서 DPP(TBFu)2(4.4%)[18]를

시작으로 Heeger 교수 그룹에서는 DTS(PTTh2)2

라는 도너 소재와 PC71BM을 이용하여 7.0% 이상

의 효율을 발표하였다. 이 구조는 중심에 있는 디

티오노실로렐(dithienosilole)과 티아디아졸피리딘

(thiadiazolepyridine)의 조합이 밴드갭을 충분히

낮추며 양 말단에 있는 2-헥실바이티오펜(2-hexyl-

bithiophene)은 용해도와 필름 특성을 부여하였고,

특히, 벤조티아디아졸(benzothiadiazole)이 아닌 티

아디아졸피리딘(thiadiazole pyridine)을 도입함으

로써 합성의 용이성을 증가시켰다[19].

최근 올리고티오펜(Oligothiophene)의 흡광계수

가 높은 로다닌(rodanine)으로 치환함으로써 효율

증대의 효과를 확인함과 동시에 대면적 공정에 적



Figure 1. 고분자 도너 소재.


40 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

합한 소재들이 보고되고 있다[20]. 벤조디티오펜

구조에 근거하여 액정성질을 보이는 BTR 저분자

는 9.3%의 고효율이 보고되었고[21] 분자구조의

중심에 강한 전자받개기를 도입한 DR3TBDD 저

분자는 9.23%의 효율을 나타내었다[22].

저분자 구조의 conjugation 길이와 공간적인 대

칭성 등이 분자궤도 에너지준위 과 분자간 겹침,

상분리, 전하이동도 등에 주요한 영향을 미쳐 결

과적으로 효율에 영향을 미친다는 가정을 적용하

여 분자구조 최적화를 거쳐 최고효율 10.08%을

달성한 연구결과는 저분자 도너 소재의 설계에 중

요한 전략으로 볼 수 있다[23].

한편 저분자 도너 소재의 대면적 적용 관련 연

구결과로서, 전하이동도를 향상시킬 수 있는 구조

인 신규 2D-벤조디티오펜 형태의 BDT2 단분자로

서 최대 효율 8.56%의 소재로서 77.75 cm2의 서

브 모듈(sub-module) 면적에서 7.45%의 고효율을

나타냄으로 대면적 적용가능성을 높였다[24]. 벤

조디티오펜 구조의 BDTT-S-TR 저분자 소재도 평

균 9.2% 효율을 나타내며 300 nm 두께에서도

7.58%의 높은 효율을 유지할 수 있으므로 대면적

적용이 가능한 소재라고 판단된다[25]. 분자구조 말

단의 강한 전자받개기인 인덴다이온(indenedione)

에 플루오로(fluoro)기를 도입하므로서 분자 전체

의 표면장력과 혼합정도를 조절하여 박막구조를 제

어한 결과로 소자의 안정성이 확보되는 역상

(inverted) 구조의 소자에서 11.08%의 최고 효율을

보인 BTID-2F 저분자 소재는 고효율의 저분자 도

너 소재를 설계 및 대면적 적용에 중요한 요인이

라 판단된다[26].

3. 억셉터 소재

유기태양전지의 억셉터는 풀러렌 유도체 [6,6]-

phenyl C61-butyric acid methylester (PC61BM)와

그의 유도체 PC71BM으로 효율이 급격히 올라간

이후로 많은 연구자들이 PC71BM을 대체할 풀러

렌 유도체들을 설계⋅합성하였지만 유기태양전지

의 성능은 기대만큼 미치지 못하였다. 그만큼

PC61BM와 PC71BM은 고분자 도너와 맞는 적절한

LUMO 에너지, facile, reversible reduction, 그리

고 뛰어난 전자이동도를 갖고 있어 PC61BM와

PC71BM을 이용한 유기태양전지는 현재 10%를

넘는 효율을 보일만큼 억셉터로서는 독보적인 위치

를 차지하고 있다[27]. 그러나 PC61BM와 PC71BM

을 사용할 경우 약한 광흡수, 화학적 구조 및 에너

지 밴드갭 튜닝의 한계, 대면적에서의 고분자에

비해 낮은 점도, 합성 시 이성질체 및 분리에 따른

고비용 등 해결해야 할 문제점들이 남아 있다. 이

러한 문제를 해결하기 위해 비풀러렌 재료에 대한

연구가 현재 활발하게 이루어지고 있으며, 효율면

에서도 풀러렌 유도체에 상응할만한 결과를 보이

고 있다. 비풀러렌 재료는 고분자와 단분자로 구

분할 수 있으며, 비슷한 시기에 연구가 진행되었

으며, 연구 개발 당시에는 고분자가 높은 효율을

보였으나 현재에는 단분자를 이용한 비풀러렌계

유기태양전지가 효율면에서 앞서고 있는 결과를

보이고 있다.

3.1. 풀러렌 프리 고분자 소재

풀러렌이나 n-type 단분자와 비교하여 화학적

구조 변화를 통해 에너지 준위 조절이 가능할 뿐

만 아니라, conjugation length 조절을 통해 흡수

영역을 조절할 수 있어 높은 광흡수와 폭넓은 가

시광선 흡수가 가능하고 용매 점도가 좋아 넓은

면적에서의 용액 공정 유기태양전지 제작이 용이

한 장점이 있다. 처음 유기태양전지의 n-type 고분

자는 cyanated polyphenylenevinylene (CN-PPV)

계 고분자와 benzodithiadiazole (BT)계 고분자로

서 polymer light emitting diode에서 사용되는 고

분자를 이용하였으나 효율은 1-2%대에 머무는 정

도를 보였다[28,29]. 그러한 이유는 n-type으로서

의 역할면에서 도너에서부터 전자를 잘 받지 못하

였으며, 전하 이동에서의 밸런스가 맞지 않아 낮

은 충진율(FF)을 보였기 때문이다.

최근에 가장 많은 연구가 진행되고 있는 n-type

고분자는 rylene diimide계 고분자로서 naph-

thalene에 6각 고리 dicarboxylic imide 고리를



Figure 2. 저분자 도너 소재.


42 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

fused형태로 가지고 있는 구조이다. 여러 가지 형

태의 rylene diimide계 고분자가 있지만 그중에서

도 1,4,5,8-naphthalene diimide (NDI)와 conju-

gation이 확장된 perylene diimide (PDI)계 고분자

를 들 수 있다.

PDI계 물질은 dye나 pigment로 잘 알려진 화합

물로서 뛰어난 열적 안정성과 함께, 화학적⋅광학

적으로도 안정성이 높은 화합물이다. 또한 강한

전자 끌기 능력과 가시광선과 적외선 영역에서의

흡수가 장점이라 할 수 있다. 또한 imide의 N 위

치와 perylene core bay 위치에 다른 물질을 도입

할 수 있기 때문에 다양한 기능성 도입을 통해

PDI계 고분자의 특성을 조절할 수 있는 장점을 가

지고 있다. 2007년부터 시작된 PDI계 고분자를 이

용한 유기태양전지는 dithieno [2,3-b:2’,3’-d]thio-

phene (DTT)를 도입하여 BTV-PT라는 thiophene

계 고분자와의 블렌딩을 통해 1%의 효율을 갖는

유기태양전지 결과를 발표하였으며 현재는 6-7%대

의 효율을 보이고 있다[30,31]. 중국과학원(CAS)의

Hou 교수팀은 PDI계 고분자에 thiophene을 도입

한 고분자 PPDIODT와 benzodithiophene (BDT)

계 고분자를 도너로 사용하여 6.58%의 연구 결과

를 발표하였다[31]. 흥미로운 사실은 일반적으로

유기태양전지는 할로겐 용매인 chloroform, chlor-

obenzene, o-dichlorobenzene 등을 사용하는 경향

이 강한데 그보다는 친환경 용매인 anisole을 사용

하여 6.58%의 효율을 보였다는 점이다. 친환경 용

매 사용에 따른 용해도 문제를 긴 알킬체인 도입

으로 해결하였으며, 상보적인 흡수 영역에 따른

효과를 극대화하기 위해 도너는 장파장 흡수 영역

(600-800 nm)을, 억셉터는 (400-600 nm)를 흡수

하도록 분자 구조를 설계하여 현재까지는 친환경

유기 용매를 사용한 all polymer solar cell에서는

가장 높은 효율을 보이고 있다.

NDI계 고분자는 PDI계 고분자와 마찬가지로

높은 평면성을 갖는 전자 부족 aromatic core를 가

지고 있으며, imide 위치에 다양한 기능성 단량체

를 도입하여 용해도를 향상시킬 수 있는 분자 구

조의 특징을 가지고 있다. 또한 PDI계 분자 구조

보다 작은 공액성 core를 가지고 있어 분자량을

높일 수 있으며, 유기태양전지의 모폴로지 제어와

상분리 등에 중요한 고분자의 결정성을 보다 쉽게

제어할 수 있는 특징이 있어 현재까지는 PDI계 고

분자보다 높은 효율의 all-polymer solar cell 결과

를 보이고 있다. 가장 대표적인 NDI계 n-type 고

분자는 P(NDI2OD-2T)라는 고분자로 N2200이라

는 이름으로 잘 알려져 있다. P(NDI2OD-2T)라는

고분자는 처음에는 P3HT와의 블렌딩을 통해

0.16%의 효율을 보였으나 다양한 용매 처리 프로

세스를 통해 효율을 높이는 결과를 보였다[32,33].

Figure 3. N-type acceptor로 사용된 CN-PPV계 및 BT계 고

분자.

*출처 : Adv. Energy Mater., 6, 1501991 (2016).

Figure 4. PDI계 고분자를 이용한 6.5% all-polymer solar

cells 결과[31].



KAIST 김범준 교수팀은 P(NDI2HD-T) n-type 고

분자와 BDT계 고분자인 PBDTTTPD를 도너로

사용하여 6.64%의 효율로서 PCBM을 사용한 결

과(6.12%)와 유사한 효율을 보였으며, 특히 기계

적 안정성면에서는 PCBM을 사용한 소자보다 더

우수한 연구 결과를 발표하였다[34].

NDI계 n-type 고분자은 400 nm와 600-800 nm

에서는 강한 흡수를 보이지만 500 nm에서는 약한

흡수를 보이는 특징으로 인해 단락전류가 낮은 단

점이 있다. 유기태양전지에서 높은 효율을 보이기

위한 방안으로서 500 nm에서 강한 흡수를 보이는

중간 밴드갭을 갖는 고분자를 도너 물질로 사용함

으로써 효율을 높인 연구 결과가 발표되었다.

Soochow 대학의 Li 교수팀은 500 nm 범위에서

강한 흡수를 보이는 BDT계 고분자인 J50과 J51을

도너로 사용한 유기태양전지 연구를 진행하였다.

상보적인 흡수를 통해 단락전류를 높일 뿐만 아니

라 도너/억셉터의 나노스케일 상분리를 통한 in-

terpenetrating 네트웍 형성을 통해 현재까지는 가

장 높은 8.27%의 효율을 갖는 all-polymer solar

cell 결과를 발표하였다[35]. 또한 300 nm의 두꺼

운 두께에서도 4%의 효율을 보임으로써 상용화

적용시에도 효율을 유지할 수 있는 특징을 보이기

도 하였다.

3.2. 풀러렌 프리 저분자 소재

유기태양전지 분야에서 가장 높은 효율과 관심

을 보이고 있는 소재가 단분자 억셉터이다. 고분

자 억셉터 소재와 거의 비슷한 시기에 연구결과가

나오기 시작했지만 가장 가파른 효율 성장을 보이

고 있다. 대표적인 단분자 억셉터로는 ITIC와

IDTBR을 둘 수 있다. 이 두 개의 단분자는 중심

에 fused aromatic unit을 가지고 있으며 ITIC는

indacenodithieno [3,2-b]thiophene 중심에 malono-

nitrile group을 가지고 IDTBR은 rhodanine unit을

도입하고 있는 구조이다.

중국과학원(CAS)의 Hou 교수팀은 PBDB-T라

는 도너 고분자에 ITIC 억셉터를 이용하여 11.21%

(10.78% 인증)의 높은 효율 결과를 발표하였다

[36]. PBDB-T 고분자보다 더 장파장의 빛을 상보

적으로 흡수함으로써 단락전류를 높이는 효과와

함께 적절한 분자간 에너지 준위를 통해 높은 효

율을 보이고 있다. 최근에는 중국과학원의 Li 교

수팀에서 ITIC의 곁사슬을 바꾼 이성질체인

m-ITIC를 합성하였다. ITIC에 곁사슬인 para-알킬

페닐기를 meta-알킬페닐기로 대체한 m-ITIC는

ITIC와 전기화학적 특성 및 광학적 특성이 거의

비슷한 결과를 보였다. 그러나 이러한 m-ITIC는

기존의 ITIC보다 광흡수도가 높으며, crystalline

coherence가 높고, 전자이동도 또한 높은 특징을

보였다[37]. ITIC가 J61 고분자와 10.57%의 효율

을 보이는 반면, m-ITIC는 J61고분자와의 블렌딩

을 통해 11.77%의 높은 효율을 보였다[37].

*출처 : Nat. Commun., 6, 9547 (2015).

Figure 5. PBDTTTPD:P(NDI2HD-T) 분자 구조, 유기태양

전지 J-V 곡선 및 기계적 안정성 실험 결과[34].

*출처 : Adv. Mater., 28, 1884 (2016).

Figure 6. 8.27%의 효율을 보인 NDI계 n-type 고분자를 이

용한 all-polymer solar cell[35].


44 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

Imperial 대학의 McCulloch 교수팀은 non-full-

erene 시스템에서 도너 물질로 주로 쓰이는 PTB7

물질에서 벗어나 안정성이 뛰어나며 대량 합성이

용이한 P3HT 물질을 도너 물질로 사용하였다.

P3HT를 사용할 경우 단락전류가 떨어지는 문제

점을 해결하고자 core를 확장하여 indacenodi-

thiophene unit을 도입한 IDTBR 억셉터를 개발하

였다. Indacenodithiophene unit을 도입할 경우 평

면성이 커지기 때문에 장파장 쪽의 흡수가 용이해

지는 장점이 있을 뿐만 아니라 결정성을 가질 확

률이 높아지기 때문에 그만큼 전하 분리 및 이동

이 용이해질 수 있다. 합성한 IDTBR을 통해

McCulloch 교수팀은 6.4%의 효율 결과를 발표하

였다[38]. 이러한 결과는 기존의 PCBM을 사용한

결과보다 뛰어난 결과이며, P3HT를 사용한 유기

태양전지 결과 중 가장 높은 효율이기도 하다. 또

한 기존의 다른 유기태양전지 광활성층과의 안정

성 비교에서도 P3HT:IDTBR의 조합이 가장 높은

안정성 결과를 보이기도 하였다.

최근에는 화학연구원 이상규 박사팀에서 단분

자 도너와 단분자 억셉터를 광활성층으로 이용한

유기태양전지 결과를 발표하였다. 도너와 억셉터

간의 상분리를 막고 안정성을 높이기 위한 방안으

로써 도너와 억셉터 양 말단에 rhodanine 유도체

를 동일한 것으로 사용한 연구를 진행하였다. 도

너와 억셉터 간의 에너지 준위를 조절하기 위해

억셉터의 spacer로 benzothiadiazole (BT) unit을

도입함으로써 LUMO를 -3.89 eV까지 조절하여

도너로부터의 전자를 수월하게 이동시킬 수 있었

다. 전기화학적 특성 조절을 통해 결과적으로

PC71BM을 사용한 효율(7.14 %)과 거의 비슷한 연

구 결과(7.09%)를 보였다[39]. 충진율은 PC71BM

을 사용한 값(70%)보다 낮은 값(55%)을 보였으나

개방전압(1.06 V)을 높임으로써 효율을 높이는 결

과를 보였다. 특히 흥미로운 것은 PC71BM보다 높

은 열적 안정성을 보였다는 점이다.

*출처 : J. Am. Chem. Soc., 138, 15011 (2016).

Figure 7. ITIC와 m-ITIC를 이용한 유기태양전지 결과 및

GIWAXS 이미지[37].

*출처 : Nat. Commun., 7, 11585 (2016).

Figure 8. IDTBR 분자 구조 및 P3HT:IDTBR 유기태양전

지 J-V 곡선 및 안정성 실험 결과[38].

*출처 : J. Mater. Chem. A, 4, 16335 (2016).

Figure 9. Rhodanine계 단분자 도너 및 억셉터를 이용한 유

기태양전지 결과[39].



4. 소 자

4.1. 소자 최적화

유기반도체 재료를 광활성층으로 이용하는 P-N

정션 타입의 유기태양전지는 다양한 방법으로 소

자의 성능을 향상 시킬 수 있다. 유기태양전지 성

능에 큰 영향을 미치는 요소는 앞서 언급한 고효

율 도너 및 업셉터 소재와 유기 광활성층의 적절

한 모폴로지 제어이다. 즉, 광흡수로 생성된 엑시

톤의 원활한 분리와 분리된 전하의 효과적인 수송

을 위해서는 도너/업셉터 물질 사이의 계면을 최

대한 늘리면서 적당한 상분리를 통해 각 전하의

연속적인 통로(bi-continuous pathway)를 확보하

는 것이 필수적이다. 하지만 일반적으로 도너 물

질과 업셉터 물질은 평형상태(equilibrium state)에

서 서로 잘 섞이지 않고, 물질간의 상분리가 일어

나 적절한 모폴로지 형성이 어려워 광전변환효율

이 떨어지는 결과를 초래한다. 이를 해결하기 위

해 용매 첨가제(solvent additive), 전/후 열처리

(thermal annealing), 용매 증기 어닐링(solvent va-

pour annealing), 제3의 고분자 혹은 단분자를 유

기광활성층에 도입하는 방법 등이 있다.

유기태양전지의 기본 구조는 투명전극/유기광

활성층/후면전극 구조로 이루어져 있으며(Figure

10) 일반적으로 높은 일함수를 가진 투명전극인

인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO)을 양극으

로, 낮은 일함수를 가진 Al이나 Ca 등을 음극으로

사용하게 된다(정구조, conventional structure). 그

리고 빛을 흡수하여 전하를 생성하는 유기광활성

층은 도너 물질(electron donor)과 업셉터 물질

(electron acceptor)로 구성되어 있으며, 그 물질의

혼합에 따라 2층(bi-layer) 구조와 벌크 이종접합

(bulk heterojunction) 구조로 나눌 수 있는데, 일반

적으로는 후자가 전자보다 높은 효율을 보이고 있

다. 유기 광활성층 내에서 생성된 정공과 전자가

각각 양극과 음극으로 수월하게 이동하기 위해서

버퍼층(buffer layer)을 삽입하는데, 양극인 ITO

투명전극과 유기광활성층 사이에는 정공 이송층

(hole transport layer, HTL)을, 음극과 광활성층

사이에는 전자 이송층(electron transport layer,

ETL)을 사용한다.

정공 이송층으로는 저온 및 용액 공정이 가능한

전도성 고분자인 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedi-

oxythiophene):poly(4-styrenesulfonate))가 주로 사

용되며, MoO3, WO3, NiO, V2O5 CuO, RuO2 등의

금속 산화물, 그래핀 산화물(graphene oxide)이 이

용된다. 또한 Figure 11과 같이 공액계 전해질

(conjugated polyelectrolyte) 사슬기 말단에 술폰

화(sulfonation)기가 도입된 고분자와 클로로벤조

산과 같은 단분자를 사용하기도 한다. 한편 전자

이송층으로는 ZnO, TiO2, Nb2O5, SnO2, Al2O3,

ZrO2, ternary 금속산화물, 수/알콜 용성의 공액계/

비공액계 고분자, 단분자 등이 사용된다. 그 외에

도 용액공정이 가능한 Cs2CO3, Li2CO3, Na2CO3와

같은 탄산알칼리(alkali carbonate)가 사용되며, 전

자 친화도가 우수한 풀러렌(fullerene) 기반의 유

도체 등이 널리 이용된다[40].

최근에는 유기태양전지의 안정성과 롤투롤

(roll-to-roll) 적용 문제 등을 해결하기 위해 많은

연구가 진행되고 있는데, 그중에서 유기태양전지

의 구조를 개선하여 빛이 들어오는 부분을 음극으

로 사용하고 빛이 반사되는 후면전극을 양극으로

사용한 역구조(inverted type) 유기태양전지에 대

한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 본 고에

서는 소자측면에서 용액공정이 가능한 역구조 유

기태양전지의 성능 향상을 위한 방법들에 대하여

알아보도록 한다.

Figure 10. 유기태양전지의 기본 구조.


46 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

4.1.1. 버퍼층(buffer layer)

유기반도체 도너와 업셉터 물질이 불규칙하게

섞여있는 벌크 이종접합 계면에서 분리된 전자와

정공은 효율적으로 각 전극(음극/양극)에 도달하

여 외부회로를 형성해야 한다. 그러기 위해서는

유기반도체/전극의 접촉(contact)이 유기태양전지

소자 성능을 결정짓는 중요한 요소가 된다. 수십

meV의 유기반도체/금속의 전기적 장벽은 계면에

서의 상당한 전하 축적 및 소자 내부의 전기장

(built-in electric field) 감소로 인해 광기전력 특성

에 악영향을 끼치게 된다. 그러므로 각 전극과 유

기광활성층 사이에서의 오믹 접촉(ohmic contact)

과 각 전극에서의 선택적이고 효율적인 전하 수집

이 반드시 필요하다. 그러한 방법으로는 앞서 언

급한 전도성 고분자(conducting polymers), 고분자

/단분자 전해질(poly-electrolytes), 풀러렌 유도체

(fullerene derivatives), 또는 금속산화물(metal ox-

ides) 등과 같은 유기물, 무기물 혹은 유/무기 하이

브리드 복합체를 광활성층/전극 사이의 버퍼층으

로 사용하는 것이다.

역구조 유기태양전지에서 음극 부분의 에너지

밴드 다이어그램은 크게 3가지로 나타낼 수 있는

데, (a)는 버퍼층이 삽입되기 전, (b)는 ZnO, TiO2

등과 같이 일정한 두께를 지니고 전자 이동도가

우수한 금속산화물이 버퍼층으로 삽입된 후, (c)는

쌍극자를 유도하는 두께가 얇은 버퍼층이 삽입된

후이다(Figure 12).

버퍼층의 가장 중요한 역할은 각 층간 에너지

준위(energy level)를 일치시켜 유기태양전지 구조

에서 불필요하게 발생하는 에너지 손실을 줄이고,

소자 내 내부전계(built-in electric field)를 증가시

켜 전하를 효율적으로 이동 및 추출하는 것이다.

또한 각 전극에서 선택적인 전하 수집 능력을 향

상시켜 계면에서 발생하는 전하 재결합(charge re-

combination)을 방지하고, 하부층의 표면에너지

(surface energy)를 조절하여 상부층인 유기광활성

층의 적절한 모폴로지를 형성시킬 수 있다. 한편

유기광활성층/전극 사이에 삽입되는 버퍼층은 op-

*출처: Mater. Today, 19, 169-177 (2016).

Figure 11. 유기태양전지의 버퍼층으로 사용되는 유기물질 구조[40].



tical spacer 역할 및 플라즈모닉 효과(plasmonic

effect)를 유도하여 유기광활성층의 광학적 특성

조절로 인한 엑시톤 생성 및 전하의 수송을 향상

시킬 수 있는 장점도 있다. 이러한 유기태양전지

의 계면제어(interfacial engineering)는 각 층간의

에너지 차이를 조절함으로써 개방전압(VOC)을 증

가시키거나 전자의 수집 효율을 증가시켜 전류밀

도 (JSC), 충진율(FF)의 향상을 이루게 된다. 다음

으로는 용액공정 기반의 유기태양전지에서 버퍼

층이 가져야 할 필수요건에 대하여 알아본다. 첫

째, 유기광활성층 용액 도포 시 하부 버퍼층은 유

기 용매에 대해 용해도를 갖지 않아야 한다. 둘째,

유기광활성층으로 광투과를 효율적으로 하여야

한다. 셋째, 선택적인 전하전달 능력 및 전하 이동

도가 커야 한다. 넷째, 각 층간 에너지 손실을 최

소화하기 위해 에너지준위 일치를 보여야 한다.

다섯째, 층간 기계적 결합력을 향상시켜 소자의

안정성을 확보해야 한다.

이러한 유기태양전지의 계면제어 연구는 국내

에서도 활발히 진행되고 있다. 대표적인 예로 울

산대 조신욱 교수팀은 솔-겔(sol-gel) 방법으로 형

성시킨 ZnO ripple층을 여러 가지 Metal-carbonate

물질로 도핑시켜 역구조 유기태양전지의 성능 향상

을 보고하였다(Figure 13a). ZnO ripple층에 Li2CO3

도핑을 수직 경사(vertical gradient)지게 형성하면

ZnO층의 일함수(work function)와 유기광활성층

의 PCBM LUMO 준위가 일치하고 계면에서 전자

/정공의 재결합을 막아 소자 성능이 향상되었다

[41]. 한편 경북대학교 김영규 교수팀은 유기태양

전지의 광활성층과 ZnO층 사이에 PEOz (Poly

Figure 12. 역구조 유기태양전지의 에너지 밴드 다이어그램. (a) 버퍼층 삽입 전, (b) 금속산화물 버퍼층 삽입, (c) 쌍극자를

유도하는 버퍼층 삽입.

*출처 : (a) Energy Environ. Sci., 9, 240-246 (2016), (b) Nat. Commun., 6, 8929 (2015).

Figure 13. (a) Doped ZnO ripple 및 (b) 고분자 다중 나노점을 이용한 유기태양전지 계면 조절[41,42].


48 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

(2-ethyl-2-oxazoline)) 고분자 다중 나노점이라는

나노 계면 구조를 형성하였다(Figure 13b). 이러한

나노 계면 구조는 유기 광활성층과 금속산화물층

사이의 전하 전달 및 접합 특성을 향상시켜

PTB7-Th:PCBM 기반의 유기태양전지 광전변환

효율을 10.74%까지 향상 시켰다[42].

4.1.2. 적층형(tandem) 및 삼성분계(ternary) 유기

태양전지

지난 10년간 유기태양전지는 고효율 고분자 혹

은 저분자 소재의 합성 및 소자 개발로 광전변환

효율 10% 이상의 상당한 향상을 이루었지만, 유

기반도체 고유의 좁은 흡광영역(~100 nm), 낮은

전하이동도(~10-4 cm2/Vs), 열운동화에 의한 손실

(thermalization loss)로 인해 단일접합(single-junc-

tion) 유기태양전지는 더 이상의 효율 향상을 기대

하기가 힘들다. 이를 해결하기 위하여 최근에는

유기 광활성층의 광흡수 스펙트럼을 증가시킬 뿐

아니라 열운동화에 의한 손실(thermalization loss)

을 최소화할 수 있는 적층형 유기태양전지에 관한

연구가 활발히 진행되고 있다[43]. 적층형 유기태

양전지는 Figure 14b와 같이 서로 다른 흡광 영역

을 지니는 독립된 단일접합(single-junction) 유기

태양전지가 중간층에 의하여 물리적으로 분리되

어 있으며 소자의 적층 방법에 따라 병렬 혹은 직

렬로 연결할 수 있다.

일반적으로 적층형 유기태양전지에서 광흡수를

최대로 하기 위하여 하부셀은 밴드갭이 큰 광활성

층을 상부셀은 하부셀이 흡수하지 못하는 광자

(photon)를 흡수하기 위해 밴드갭이 작은 광활성

층을 사용한다. 또한 각 서브셀(sub-cell)의 광활성

층 두께는 광활성층의 광흡수계수, 밴드갭, 전하

이동도(charge mobility) 등에 의해 최적화된다.

현재까지 NREL(National Renewable Energy

*출처 : Nat. Photonics, 9, 491-500 (2015).

Figure 14. 다양한 유기태양전지 구조. (a) 전형적인 이성분계(binary) 이종접합 유기태양전지, (b) 빛의 상보적 흡수가 가능

한 적층형 유기태양전지, (c) 삼성분계(ternary) 유기태양전지 및 형성 가능한 광활성층 모폴로지[43].



Laboratory)에 보고된 적층형 유기태양전지의 최

고 효율은 10.6%이다(Figure 15)[44].

현재 문헌에 보고된 적층형 유기태양전지의 최

고 효율은 11.62%로 중국의 Hou 교수팀에서

2016년도에 발표하였지만, 이론적으로 획득 가능

한 효율(~15%)에 한참 미치지 못하고 있는 실정

이다. 이는 용액 공정상의 복잡한 소자 제작기술

과 완벽하지 못한 중간층, 상/하부셀의 광전류 불

일치 등으로 인한 효율 저하가 그 원인이다. 따라

서 최근에는 적층형 유기태양전지의 넓은 흡광 영

역과 열운동화에 의한 손실(thermalization loss)을

최소화하는 장점을 지니면서 단일접합(single-

junction) 유기태양전지의 간단한 공정을 도입한

삼성분계(ternary) 유기태양전지가 각광을 받고 있

다[45]. 삼성분계(ternary) 유기태양전지의 전하 수

송 메카니즘(mechanism)은 이성분계(binary)와 달

리 삼성분 광활성 물질의 양, 에너지 준위, 밴드갭

(bandgap), 모폴로지 등에 따라 크게 네 가지로 분

류된다(Figure 16). 설명을 쉽게 하기 위해 제3의

성분을 도너 물질로 한정하였고, 업셉터 물질이

제3의 성분이 되더라도 전하 수송 메카니즘은 동

일하다.

삼성분계(ternary) 유기태양전지에서 전하 수송

(charge transfer) 모델을 적용하기 위해서는 그림

과 같이 제3의 광활성 물질은 전극으로 최종 전하

를 전달하는 주된 도너/업셉터 물질의 계면에 존

재하면서 cascade-energy-level alignment를 이루

어야 한다. 즉 D1/A 계면에서 생성된 정공은 곧바

로 양극으로 전자는 D2와 A를 거쳐 음극으로 추

출된다. 반면 D2/A 계면에서 생성된 정공은 D1을

거쳐 양극으로 전자는 곧장 음극으로 수집되는 것

이다. 전하 수송(charge transfer) 모델의 가장 큰

*출처 : Nat. Commun., 4, 1446 (2013).

Figure 15. NREL(National Renewable Energy Laboratory)에 보고된 최고 효율의 적층형 유기태양전지[44].

*출처 : Energy Environ. Sci., 9, 281-322 (2016).Figure 16. 삼성분계(ternary) 유기태양전지에서 가능한 전하 수송 메카니즘(mechanism)[45].


50 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

광기전성 파라미터(photovoltaic parameters)는 제

3성분의 양이 변하더라도 유기태양전지의 개방전

압(VOC)은 바뀌지 않는다는 점이다.

에너지 수송(energy transfer) 모델의 가장 큰 특

징은 특정 광활성 물질의 발광(light emission) 스

펙트럼과 다른 광활성 물질의 광흡수 스펙트럼이

상당 부분 겹쳐야 된다는 점이다. 즉 전하를 생성

하지 않고 에너지만 전달하는 에너지 도너(energy

donor)와 자체적으로 광흡수를 할 뿐 아니라 에너

지 도너(energy donor)가 방출한 빛까지 흡수하여

전하를 생성하는 에너지 억셉터(energy acceptor)

가 존재하는 것이다. 광활성층 내에서 에너지 도

너(energy donor)의 위치는 제한된 에너지 수송 반

경으로 인하여 에너지 억셉터(energy acceptor) 근

방에 있어야 한다. D1/D2/A 기반의 삼성분계 유기

태양전지가 에너지 수송(energy transfer) 모델이

적용된다면 D1의 엑시톤 에너지(exciton energy)

는 Förster 혹은 Dexter 에너지 수송을 통해 D2에

전달되고, D2에서 생성된 엑시톤은 D2/A 계면에

서 분리되어 전하를 생성한다. 생성된 전자는 A를

따라 음극으로 수집되고, 정공은 D1의 상대적인

HOMO 에너지 레벨 위치에 따라 D1을 통하여 양

극으로 추출되거나 곧바로 양극으로 추출된다. 따

라서 전하 수송 메카니즘과 유사하게 개방전압

(VOC)의 변화는 미미하다.

다음 Parallel-lingkage 혹은 Alloy Model은 앞

서 언급한 전하 수송(charge transfer) 및 에너지

수송(energy transfer) 모델과는 큰 차이를 보인다.

Parallel-linkage 혹은 Alloy Model은 삼성분계 유

기 광활성층의 모폴로지, 에너지 레벨, 밴드갭 등

의 엄격한 필요조건 없이 두 개의 이성분계

(binary)가 하나의 유기 광활성층 내에서 독립적으

로 동작하는 것이다. 즉 D1/D2/A 기반의 삼성분계

유기태양전지에서 Parallel-linkage 혹은 Alloy

Model이 적용되면 D1/A 계면에서 생성된 정공과

전자는 각각의 통로(pathway)를 따라 양극과 음극

으로 곧바로 수집되고, D2/A 계면에서 생성된 정

공과 전자 또한 독립적으로 각각의 양극과 음극으

로 곧바로 추출되는 것이다. 따라서 Parallel-link-

age 혹은 Alloy Model은 삼성분계 광활성 물질의 분

율에 의해서 삼성분계 유기태양전지의 개방전압

(VOC)이 결정되어진다. 반면 Alloy Model은 Parallel-

linkage 메카니즘과 다르게 두 광활성 물질 간에 전

자적으로 커플링되어 하나의 새로운 charge-transfer

(CT) state energy를 형성시킨다는 것이다. 이는

X-ray 회절(XRD) 및 CV (cyclic voltammetry) 분

석 등을 통하여 확인할 수 있다.

결과적으로 삼성분계(ternary) 유기태양전지는

이성분계(binary) 유기태양전지보다 넓은 흡광영

역으로 인한 광전류(JSC) 이득, 조절 가능한 개방전

*출처 : Adv. Mater., 29, 1604059 (2017).

Figure 17. 최고 효율의 삼성분계(ternary) 유기태양전지[46].



압(VOC)의 장점으로 소자 성능의 향상을 이룰 수

있다. 그와 더불어 삼성분계(ternary) 유기태양전지

는 효율적인 엑시톤 분리(exciton dissociation), 전

하 전달(charge transport), 유기 광활성층의 결정성

향상 및 적절한 모폴로지 형성을 기대할 수 있다.

현재까지 문헌에 보고된 삼성분계(ternary) 유기

태양전지의 최고 효율은 12.20% (VOC = 0.952 V,

JSC = 17.39 mA/cm2, FF = 73.7%)이다(Figure

17)[46].

4.2. 광안정성

유기태양전지의 상업화를 위해서는 소자의 광

전변환효율 뿐 아니라 소자의 신뢰성도 최근 매우

중요한 요소로 평가되고 있다. 유기태양전지의 안

정성을 저해하는 요소는 불안정한 광활성층 모폴

로지, 버퍼층 혹은 전극의 확산(diffusion), 산소,

수분, 광, 열 등이 있는데 그중 광안정성이 유기태

양전지의 시장 진입에 가장 큰 걸림돌로 여겨지고

있다. 따라서 본 고에서는 유기태양전지의 광안정

성을 저해하는 원인과 향상을 위한 방법에 대하여

알아보고자 한다.

유기태양전지의 광에 대한 불안정성은 유기광활

성층과 버퍼층 혹은 그 사이의 계면에서 발생하는

광화학적(photochemical), 광물리적(photophysical)

저하(degradation)에서 기인한다. 광산화 반응

(photo-oxidation reaction)을 통한 광활성 물질 구

조의 변형은 광흡수도 감소를 초래하며, 밴드갭 내

에 sub-bandgap states를 생성하여 energetic dis-

order를 증가시키며, Shockley-Reed-Hall 전하 재

결합을 증가 및 전하 이동도를 감소하여 공간전하

(space-charge)를 축적(build-up) 시켜 결국 소자 성

능에 악영향을 미친다. 또한 광산화 반응은 고분자

곁사슬에서 라디칼 양이온(radical cation) 형성

(polymer+-O2-) 및 고분자의 광분해(photolysis)를

초래하며, 업셉터 물질로 널리 이용되는 풀러렌 유

도체의 광-올리고머화(photo-oligomerization) 촉진

시켜 소자 성능을 저하 시킨다. 이러한 광산화 반

응(photo-oxidation reaction)은 유기 광활성층 뿐만

아니라 버퍼층, 각 층의 계면에서도 발생한다.

유기태양전지의 광안정성을 향상시키는 방법은

유기 광활성층 물질의 분자 골격(molecular skel-

eton) 및 곁사슬(side chain)의 개질, 광에 불안정

한 풀러렌 억셉터 대체, 삼성분계 도입과 버퍼층

최적화 및 소자 engineering으로 가능하다. 우선

유기 광활성층 내에서는 쉽게 광산화 반응을 일으

키는 유닛을 안정한 유닛으로 대체하고, 결정성

(crystallinity) 향상 및 rigidity/flexibility를 적절히

조절하여 유기태양전지의 광안정성을 향상시킬

수 있다. 소자 측면에서 광안정성 향상은 도너/업

셉터 물질의 분율 조절, 용매 첨가제(solvent addi-

tive) 배제, 후속 열처리 혹은 초기 적절한 광조사,

유기 광활성층 표면처리 등으로 이룰 수 있다. 한

편 ZnO (전자이송층)의 표면결함은 인접한 유기

광활성층과의 광산화 반응을 유도하여 소자의 광

안정성을 저하시킨다. 따라서 ZnO 표면개질은 표

면결함(surface defects)을 감소시켜 소자의 효율

향상은 몰론 광산화 반응을 억제 시켜 소자의 광

안정성에도 큰 도움을 한다.

국내에서도 유기태양전지의 광안정성 향상을

위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 광주과학기술

원 이광희 교수팀에서는 기존의 PCDTBT 고분자

분자량 조절을 통해 효율 및 광안정성 향상을 이

룬 결과를 보고하였다(Figure 18)[47]. Trap-em-

bedded 부분을 제거한 유기 광활성층은 현저히

burn-in loss를 억제시켜 약 1400 h이 지나더라도

18%의 효율감소만 일어날 뿐 아니라 2년 동안 효

율이 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.

*출처 : Nat. Commun., 5, 5688 (2014).

Figure 18. PCDTBT 고분자 분자량 조절을 통한 유기태양

전지의 광안정성 향상[47].


52 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

4.3. 서브-모듈 유기태양전지

지난 몇 년간 유기태양전지의 효율은 괄목할만

한 향상을 이루었지만 아직 연구실 수준의 단위 셀

에 국한되어있어, 실제 대면적 롤투롤(roll-to-roll)

적용을 위한 대면적 적용 연구가 필요한 상황이

다. 광주과학기술원 이광희 교수팀은 기존의 순차

적인 층간 적층 대신 패턴 공정을 생략하고 간단

한 인쇄 공정만으로 유효면적(geometric fill fac-

tor)을 극대화할 수 있는 모듈 구조를 개발하여

PTB7-Th:PCBM 기반의 25 cm2 모듈에서 7.5%

효율을 한국에너지기술연구원에서 인증하였다

(Figure 19)[48].

한국화학연구원은 신개념 단분자 소재를 도입

해 7.19%의 광전변환효율을 지니는 용액공정 기

반의 서브-모듈 단분자태양전지(10 cm × 10 cm)

를 제작하여 한국에너지기술연구원에서 인증받았

다(Figure 20)[49].

5. 업체동향

5.1. 해외 업체동향

2000년 초기 미국의 Konarka, Plextronics, Solarmer

등의 벤처 기업이 세계 유기 태양전지의 개발을 이

끌었으나, 가장 선두에서 유기 태양전지 roll-to-roll

모듈 생산에 박차를 가하던 Konarka가 2012년 파

산하고, 소재중심으로 사업하던 Plextronics가 2014

년 파산한 이후 미국에서의 유기 태양전지의 동력

은 약해져 최근 조금 위축된 상황으로, Solarmer

는 중국에 연구용 소재를 생산하는 소재업체를 설

립하고 관련 소재를 제공하는 사업을 하고 있다.

유럽연합은 미국에 비하여 늦게 시작하였으나

관련된 기초연구로부터 모듈 제작에 관련된 전반

적인 기술 개발에 관련되어 최근 가장 활발하게

유기태양전지의 연구를 진행하고 있다. 독일의

*출처: Nat. Commun., 7, 10279 (2016).

Figure 19. 간단한 인쇄공정만으로 유효면적을 극해화할 수 있는 모듈 구조 개발[48].

*출처 : Adv. Energy Mater., 6, 1600228 (2016).

Figure 20. 용액공정 기반의 서브-모듈 단분자태양전지(10 cm × 10 cm)[49].



Heliatek은 거의 유일하게 저분자 광활성층의 증

착을 통하여 유기 태양전지를 제작하고 있는 회사

로 단위 셀에서 13.22%, 생산라인에서 7-8%의 효

율을 얻고 있으며, 30%의 투과도를 가지는 태양

전지에서 6%의 효율을 얻고 있으며, 약 25년의 수

명을 가질 것으로 기대하고 있다. 최근에는 파일

롯 라인에서 생산된 태양전지를 싱가포르에 10

kWp급 모듈을 설치하였으며, 독일에서 바이오 개

스 공장의 외부, Heliatek 본부, 상하이에 건물에

설치하는 등 사실상 상용화에 가장 가까운 기술을

보유한 회사라고 할 수 있다. 최근에는 HeLi-On이

라는 이동식 충전기를 소셜커머스를 통하여 판매

하기도 하였다. 덴마크 DTU의 Krebs는 유기 태양

전지의 roll-to-roll 공정에 관련된 연구를 초기부터

진행해왔으며, 2013년에는 100 m 길이의 유기 태

양전지 롤을 사용하여 손쉽게 설치하는 실증실험을

진행하고, 2015년에는 infinityOPV라는 회사를 설

립하여 유기태양전지 셀의 판매를 시작하고 있다.

일본은 탄탄한 자금력을 바탕에 둔 미쓰비씨케

미컬, 도시바 등의 대기업을 중심으로 지속적인

투자를 해오고 있다. 도시바는 2013년 약 1 cm2의

단위셀에서 11%, 802 cm2의 모듈에서 8.7%의 광

전변환효율을 보고하였으며, 미쓰비씨는 케미컬

은 유리기판에서 단위셀 11.7%, 플렉서블 모듈에

서 4-5%의 기술을 가지고 있다. 도시바는 사용한

소재 및 공정에 대한 정보를 공개하고 있지 않지

만, 상용화 수준에서 용액공정에 적용할 수 있는

세계 최고수준의 소재 및 공정기술을 보유하고 있

다. 중국과 대만의 경우 대학을 중심으로 한 소재

중심의 연구에 있어서 세계 선두 그룹에 있으나

모듈 단위에서의 상용화 연구는 소재에 비하여 상

대적으로 느리게 진행되고 있다.

5.2. 국내 업체 동향

코오롱은 미국, 덴마크, 호주 등의 선진국에 비

하여 늦게 유기 태양전지의 roll-to-roll 생산을 위

한 시스템을 구축하고 상용화 연구를 시작하였으

나, 최근 매우 빠르게 상용화에 필요한 코팅기술,

소자 안정화기술 등을 확보해나가고 있으며, 텐트,

등산복, 등산용 가방 등에 적용한 시작품을 선보

이고 있는 등 유기 태양전지 모듈 생산에 대해서

국내에서 가장 앞선 기술을 보유하고 있다. LG화

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

*출처 : (a) https://infinitypv.com/products/heli-on / (b) http://www.screenweb.com/content/screen-printings-place-sun(c) http://www.mcrc.co.jp/english/rd/opv_project / (d, e) http://www.heliatek.com/en/applications/pilot-projects(e) http://www.raynergytek.com/news.asp

Figure 21. (a) 덴마크 InfinityPV의 이동식 충전기 (b) 독일 Belectric의 야외 구조물 적용 (C) 일본 미쓰비씨케미컬의 윈도우

필름 (d, e) 독일 Heliatek의 건물적용 (f) 대만 Raynergy Tek.


54 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

학은 광활성 저분자 도너 소재, 고분자 도너 소재,

층간소재 등의 소재개발을 우선적으로 진행하면

서, 이를 적용할 수 있는 모듈생산 프로세스를 갖

추어 소재로부터 모듈까지 모두 자체 해결할 수 있

는 시스템을 갖추기 위한 연구를 진행 중에 있다.

6. 결 론

지금까지 유기 태양전지의 효율 및 안정성 향상

을 위해 최근 개발된 도너 및 비플러렌계 억셉터

소재, 소자 최적화 기술을 간략히 살펴보았다. 그

러나 국내외 업체 동향에서 언급하였듯이, 아직

유기태양전지 기술의 상용화는 현 시점에서 한계

가 있다. 개발된 소재들의 안정적인 대량 생산 기

술, 셀과 모듈간의 효율 편차, 초기 열화에 인한

안정성 저하, 전극 및 봉지 소재 등 기술적인 해결

과제들이 남아있고, 기타 태양전지 기술들과의 경

쟁에서 앞서나가기 위한 killer application 개발도

필수적이다. 또한, 기존의 BIPV (building inte-

grated photovoltaic), BAPV (bulding applied pho-

tovoltaic) 등의 대형 시장을 비롯해 AIPV (auto-

motive integrated photovoltaic), 이동형의 소형 시

장에 적용함에 있어 유연성, 투명성, 다양한 색감

구현으로 인한 심미적 특성 등의 유기태양전지의

차별적 특징을 활용하는 것은 향후 상용화를 위해

우선적으로 고려되어야 할 부분으로 보인다. 이러

한 점에서 최근 삼성전자, LG 디스플레이 등에서

1, 2년 내 제품 적용을 목표로 진행되고 있는 용액

형 OLED 기술은 유기 전자 분야에 시사하는 바

가 크다고 하겠다[50]. 유기태양전지 또한 기술 및

시장의 난제를 극복하고 시장에 선을 보이는 그날

을 기대해 본다.

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공학과(공학 석사/박사)2010~2017 LG화학 기술연구원

2017~현재 한국화학연구원

광에너지연구센터 선임연구원

이 종 철1979-1983 부산대학교 화학과(학사)1983~1985 부산대학교 화학과(석사)1994-2001 한국과학기술원 화학과(박사)2001-2003 Dept. of Pharmacology, Mayo

Clinic (USA), 박사후 연구원

1987~현재 한국화학연구원, 책임연구원

송 창 은2001~2009 한국해양대학교

반도체물리학과(학사)2009~2014 한국과학기술원 신소재공학과

(공학 석사/박사)2014~현재 한국화학연구원

광에너지연구센터 선임연구원

신 원 석1986~1990 연세대학교 화학과(학사)1990~1995 한국과학기술원 화학과

(이학 석사/박사)1995~1999 삼성종합화학 선임연구원

1999~2002 Univ. of Arizona 화학과

박사후 연구원

2002~2003 Northwestern Univ. 화학과

박사후 연구원

2003~2004 포항공대 초분자연구단

선임연구원

2004~2007 부산대학교 플라스틱정보소재

연구센터 IT연구교수


광에너지연구센터 책임연구원

이 상 규1994~2001 성균관대학교 화학과(학사)2001~2007 한국과학기술원 화학과

(이학 석사/박사)2007~2009 Univ. of California Santa

Barbara 화학과 박사후 연구원


광에너지연구센터 책임연구원

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유기태양전지 개발 동향 - 화학공학소재 ... · 유기태양전지 개발 동향 이 행 근†⋅송 창 은⋅이 상 규⋅이 종 철⋅신 원 석 한국화학연구원