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 일본 자연과학 연구기구 분자 과학 연구소와 종합 연구 대학원 대학 물리과학 연구과의 연구 그룹은 도핑 기술에 의해 유기 박막 태양전지의 공증착막의 특성을 n형, 절연체형, p형으로 자유롭게 제어하는 것에 성공했다.
n형 유기 반도체인 풀러렌 분자(C60)와 흐르는 광전류를 극적으로 증가시키는 것으로 알려져 있는 Alpha-sexithiophene(6T)과 함께, 불순물로서 몰리브덴 산화물(MoO3)을 동시에 증착하는 삼원 증착에 의해 공증착 박막을 제작했다. MoO3의 증착 속도를 컴퓨터를 이용해 매우 정밀하게 제어함으로써 증착막의 두계를 정확하게 제어할 수 있어, 도핑 농도를 ppm의 초극미량의 정밀함으로 자유롭게 조종하는 방법을 확립했다.
이 ppm 도핑 기술에 의해 n형을 나타내는 C60과 6T의 공증착막에 MoO3를 도핑하여 공증착막 그 자체의 태양전지 특성(에너지 구조)을 n형, 절연체형, p형으로 자유롭게 제어하는 데 세계 최초로 성공했다.
현대의 유기 태양전지에서는 반드시 공증착막이 사용된다. 그 때문에 공증착막을 직접 pn제어하는 이 성과는 유기 태양전지의 설계·제어 가능한 생산을 위한 결정적인 기반기술이며, 향후 여러가지 물질의 적용에 의한 전지 효율의 비약적 향상이 기대된다.
이 성과는 JST 전략적 창조연구 추진 사업(CREST)의 연구영역 "태양광을 이용한 독창적인 청정 에너지 생성 기술의 창출"의 일환으로 미국 물리학협회가 발행하는 응용 물리학 전문 속보지 "Applied Physics Letters"의 온라인 버전에 곧 게재될 예정이다.
[연구배경]
유기 태양 전지는 유기 반도체를 이용한 장치로 산업적인 이용이 강하게 요구되고 있다. 그러나, 이미 폭넓게 실용화되어 있는 무기계 실리콘 태양전지에서는 실리콘(Si) 결정 중에 인(P)이 도핑된 n형 반도체와 실리콘(Si) 결정 중에 붕소(B)가 도핑된 p형 반도체에 대한 기초과학이 확립되어 있기 때문에, 에너지 밴드 구조를 이론적으로 쓸 수 있고, 그것에 근거한 전지의 설계, 성능 예측을 실시할 수 있는 반면, 유기 태양전지에 대해서는 그 기초과학적인 연구가 충분하지 않았다. 따라서, 전지의 성능을 설계·예측해 제조하기 위해서는 유기 태양전지의 전압의 기원(내장 전계)을 창출하는 유기 반도체에 대한 기초적인 연구가 필요했다.
일본 분자 과학 연구소에서는 지난 3월에 대표적인 n형 유기 반도체인 풀러렌(C60)에 몰리브덴 산화물(MoO3)을 공증착에 의해 도핑해 p형이 되는 것을 세계 최초로 보여주었다. 이것은 유기 태양전지도 무기계 태양전지와 같이 설계한 성능을 제어 가능한 방법으로 제조할 수 있다는 길을 개척했다.
그러나, 단독 C60에서는 광전류의 크기가 작고, 실용 수준의 광에너지 변환 효율의 향상을 목표로 하기 위해서는 현재 주류로 실용적 광전류량을 발생할 수 있는 억셉터성의 C60과 도너성의 유기 반도체(예를 들면, 알파 섹시티오펜)의 공증착막에 대해서 직접 고정밀 도핑에 의한 pn제어를 설정해야 한다. 그러나, 삼원 증착 및 ppm도핑은 유기 반도체에 대해 전례없는 고도의 기술을 개발해야 하기 때문에 세계적으로 아무도 손을 대고 있지 않았다.
[연구성과]
연구 그룹은 n형 유기 반도체인 풀러렌 분자(C60)와 흐르는 광전류를 극적으로 증가시키는 것이 알려져 있는 알파 섹시 티오펜(α-6T, 또는 6T)의 공증착막에 불순물로 몰리브덴 산화물(MoO3)을 동시에 증착하는 삼원 증착(그림1)에 의해 도핑된 공증착 박막을 제작했다.
MoO3의 증착 속도를 컴퓨터를 이용해 매우 저밀하게 제어함으로써, 즉, 매우 느린 속도로 증착하는 방법을 확립함으로써 증착막의 막 두께를 정확하게 제어할 수 있게 되어, 도핑 농도를 ppm 레벨까지 자유롭게 제어할 수 있게 되었다. MoO3 20ppm의 매우 미량에서도 도핑을 정밀하게 제어하는 데 성공했다. 이 방법에 의해 MoO3 도핑 농도가 0ppm,400ppm,600ppm,1100ppm,4300ppm의 박막을 제작해 빛을 조사했을 때 생기는 전류를 측정했다(그림3).
다양한 MoO3의 도핑 농도에 대해 조사한 결과, 도핑 농도가 0ppm과400ppm의 경우 n형태, 600ppm의 경우 절연체 유사형,1100ppm과4300ppm의 경우 p형의 구조가 되는 것을 알 수 있었다(그림4). 이 결과는, 도핑 기술에 의해 공증착막의 특성을 n형, 절연체형, p형으로 자유롭게 제어할 수 있다는 것을 세계 최초로 나타낸 것이다.
[향후 전개와 의의]
이번에 풀러렌과 6T의 공증착막에 MoO3를 도핑함으로써 도너(6T), 억셉터(C60) 공증착막의 태양전지 특성(에너지 구조)을 n형, 절연체형, p형으로 자유롭게 제어하는 데 성공했다. n형, p형, 절연체형은 태양전지 설계의 기본 요소이다. 이것은 유기 태양전지도 무기계 태양전지의 pn접합, pin접합, 텐덤 접합 등과 같이 설계 성능을 예측 가능한 태양전지를 제어 가능한 방법으로 제조할 수 있는 중요한 기반기술 중 하나를 확립했다는 의의를 가진다. 이번에 확립한 수법은 이번 실험에 사용한 물질 이외에도 보편적으로 적용할 수 있기 때문에, 6T 대신 보다 효과적인 물질을 탐색해 그 물질에 적용하는 것으로 변환 효율의 향상을 기대할 수 있다.
출처 : http://www.jst.go.jp/pr/announce/20110916/index.html
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