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엮인 전극들을 가진 태양 전지 코팅
투명 전도 코팅들은 광전 소자의 중요한 요소들이며 현대 기술이 가미되고 있다. 가장 폭넓게 사용되는 표준 코팅은 거의 모든 평면 디스플레이들과 마이크로 디스플레이들에서 사용되는 인듐 주석 산화물(ITO)이다. 제조업자들에 대한 증가하는 문제들 중 하나는 태양 전지들처럼 대형 응용들에서 사용되는 이 물질을 경제적이지 않게 만드는 인듐의 부족과 높은 가격이다. (지질학자들은 이 성분의 지구 상 공급은 단지 수 년 내에 사라지게 되어 인듐의 가격이 곧 문제가 되지 않을 것으로 인식한다.) 다른 제조 문제들은 플랙서블 소자 응용들에 대해 어울리지 않게 만드는 ITO의 쉽게 부서져 플랙서블 소자 응용들에 적당하지 않게 하고 진공 코팅, 고온 열처리 등으로 플라스틱 기반 기판들을 가진 제조 공정과 호환되지 않는 것이다.
ITO에 대한 대체 물질들을 찾기 위해, 과학자들은 탄소 나노튜브, 그라핀, 나노와이어와 같은 나노크기 물질들을 연구하고 있다. 이러한 접근법들 중 많은 것들이 실험실 내에서 연구되지만, 대형화에서는 일반적으로 문제가 되어왔다.
재료 과학 및 기술을 위한 스위스 연방 연구소들인 엠파(Empa)에서 다른 해법을 제시했다. 이것은 금속과 메쉬 내로 엮인 폴리머 섬유들을 가진 정교한 직물에 기초한 투명하고 플랙서블한 전극이다.
이전에 이들은 유기 태양 전지들을 위한 전극으로써 엮인 직물을 이용한 개념을 보고 했지만 다공성 메쉬 구조가 소자 제작 문제들과 제한된 전지 효율을 이끈다는 것을 발견했다고 기능성 폴리머들을 위한 엠파의 연구소에서 유기물 태양 전지 연구 그룹을 이끄는 롤랜드 해니(Roland Hany)가 말했다. 이 연구팀의 새로운 연구에서 연구팀은 폴리머가 직물의 한쪽을 완벽하게 덮는 한편, 금속 와이어들은 다른 쪽에서 대부분에서 수 마이크로 미터 정도 공기에 노출하는 방법으로 완만하고 투명한 폴리머를 가진 엮인 메쉬를 채웠다. 이것은 ITO에 비견할 만한 광 투과를 가진 평탄하고 플랙서블한 전도체가 되었다.
 이 결과 메쉬 내로 엮인 금속과 폴리머 섬유들을 가진 정밀 직물을 기본으로 한 투명하고 플랙서블한 전극이 되었다. 이 발견들은 "Woven Electrodes for Flexible Organic Photovoltaic Cells"이란 제목으로 Advanced Materials지 최근 호에 게재되었다.
이 연구팀은 그들의 플랙서블 정밀 직물들과 일반적인 유리/ITO 기판들 상에 제작된 유기 태양 전지들을 실험했고 매우 비슷한 성능 특성들을 발견했다. 엠파의 연구팀은 여과 공정들과 스크린 프린팅 응용들에 이용되는 정밀 직물들의 생산에 특화된 회사인 Sefar AG를 상업화 파트너로 하고 있다.
플랙서블 광전소자로의 정밀 직물 응용은 Sefar AG의 핵심 기술을 완벽하게 만든다고 해니가 말한다. 이는 이 제조공정이 Sefar의 노하우로 이미 기술적인 롤투롤(roll-to-roll) 공정 내로 실행되었다는 것을 실현했던 엮인 기판 전극의 주된 혜택이다.
연구팀이 논문에서 언급한 것처럼 Sefar에 의해 제조된 엮인 메쉬 전극은 플랙서블하고 높게 투명하고 전류는 수 센티미터로 광전 소자에 관련된 크기들 이상에서 추출될 수 있다. 또한, 이 직물은 이미 분당 10 미터의 운행 속도로 롤투롤 공정에 의해 현재 제조되므로 매우 큰 전극 면적의 생산도 가능하다.
이 엮인 전극들은 이 직물이 대형 구멍들을 제공하는 방법에서 엮인 직경 40 마이크로 미터 이하의 직조용 실들로 만들기 때문에 이미 매우 투명하다. 이 전극은 또한 매우 플랙서블하고 가벼우며 긴 수명과 휨에 높은 내성을 가지고 있다.
해니는 실재 태양 전지에서 빛이 직물 전극쪽을 통해 액티브 층에 도달한다고 말했다. 그러므로, 개방된 메쉬의 이용은 얇은 섬유들과 큰 금속 와이어 거리들을 의미하는 혜택을 가진다. 이 연구팀은 폴리머 채운 홀들인 투명 영역과 전극의 기하학적인 영역 사이 비율에 의해 개방 비율을 정의해서 76% 개방 직물들을 이용했다. 직접적인 광 투광에 더불어 이 직물은 순방향에서 빛을 많이 산란한다.
이 연구팀은 이 엮인 전극이 노출된 금속 와이어들과 폴리머 충전 사이의 거리가 더 줄어들기 위해 메쉬 구멍들의 충전 공정을 최적화함으로써 개선될 수 있을 것이라고 지적했다.
금속 와이어들이 대부분에서 수 마이크로미터까지 공기에 노출되는 것이 기본이다. 더 큰 거리의 경우, 광전 액티브 물질들의 첫번째 코팅이 더 두껍게 만들 필요가 있고 많은 빛이 전기 전하들로 발생되지 않는 전지의 영역에서 흡수될 것이다. 지금까지, Sefar AG는 약 10-15 마이크로 미터까지 금속 와이어들의 노출을 최소화 할 수 있었다.
그 동안, 연구원들은 이 거리가 약 5 마이크로 미터까지 더 줄어든 새로운 전극을 가지고 연구하고 있다. 이 거리는 더 많은 빛이 액티브 태양 전지 물질에 도달하게 되어 이로 인해 더 많은 전하들이 생산되며 전체 소자 성능을 획기적으로 개선했다. 그들은 곧 이 결과들을 보고할 것이다.
그림1: 엮인 투명한 직물 전극, 액티브 층들(PEDOT:PSS와 P3HT/PCBM), 알루미늄 하부 전극을 가진 태양 전지의 개략적인 측면도
그림2: 엮인 정밀 직물의 1미터 너비와 100 미터 길이 롤
출처 : http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=20838.php
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