요약
올덴부르크에 있는 마누엘라 쉬크(Manuela Schiek) 박사의 연구 그룹은 지속 가능한 광전지 제조로 전환하는 가운데 공초점 레이저 주사 현미경의 최신 기술이 유기반도체와 투명전극에 대한 연구의 정확도와 효율성을 어떻게 개선해주는지 알아냈습니다.
전기를 발생시키기 위해 태양에서 직접 에너지를 수집하는 태양전지는 전형적인 친환경 에너지로 보입니다. 그렇다면 제조 공정을 고려한 적이 있습니까? 기존 태양전지의 주요 성분인 결정 실리콘의 경우를 예로 들어 보겠습니다. 첫째, 실리카 광석을 중요한 결정화 형태로 변형하려면 2,000°C 이상의 온도가 필요합니다. 이것은 그 자체로 놀라울 정도로 에너지가 많이 소모되는 과정일 뿐만 아니라, 초고순도 실리콘을 확보하려면 여러 유해 화학물질과 강한 온실가스 배출이 수반됩니다. 많은 무기 박막 태양전지의 첨단 제조에 있어 다른 주요 유해 성분에는 독성 원소인 셀레늄과 카드뮴으로 구성되는 성분이 포함됩니다. 또한 인듐은 ITO(Indium Tin Oxide)를 구성하는 필수적인 성분이지만, 이 한정된 자원의 매장량은 2017년까지 버틸 수 없을 것으로 추정되며, 이것은 또 다른 잠재 문제를 야기합니다. 탄탈룸의 경우를 예로 들어 보겠습니다. 이 성분은 전기 트랜지스터를 만드는 데 필수적이지만, 이 논란이 많은 물질의 제한된 가용성은 콩고 민주공화국의 정치 분쟁의 중심에 있습니다.
따라서 전 세계 전력망에 대한 부담이 늘어나고 지속 가능한 에너지 생산으로의 전환이 가속화되면서 친환경 에너지 장치 제조 방법도 마찬가지로 지속 가능해야 합니다.이것이 올덴버그 대학교(University of Oldenburg)의 마누엘라 쉬크 박사의 연구 그룹의 목표입니다. 이들의 연구는 유해하지 않고 쉽게 구할 수 있는 태양전지 제조용 대체 물질에 초점을 두고 있습니다. 여기에는 에너지 포획 활성층 내에서 유기 반도체의 사용과 유기 폴리머 기질에 포함된 나노와이어 메시로 형성된 투명 전극 시스템이 있습니다(텍스트 상자 "유기 태양전지 구조" 참조).
표면 분석 기법은 복합 다층 구조를 사용하여 태양전지의 작동에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 촉각 형상 측정과 원자력 현미경(AFM)이 오랫동안 표면 측량학의 주류였지만, 최근에는 3D 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경(CLSM) 사용이 크게 늘고 있습니다.
디테일한 트루컬러 광학 이미지를 생성하는 기능과 레이저 스캐닝 기술의 비접촉 기능이 결합된 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경은 실제로 광학 형상 측정기로서 그 자체로 매우 유용합니다. 스타일러스 기반 기술보다 빠르고 효율적인 3D CLSM은 부드러운 표면이나 접착식 표면을 측정하고 0.2μm의 해상도를 지원합니다. 이러한 이점을 제공하는 Olympus LEXT OLS4100 3D 공초점 레이저 주사 현미경이 최근 쉬크 박사의 실험실에 도입되면서 대체 광전지 제조 수단에 대한 연구가 크게 향상되었습니다.
유기 태양전지 구조
 | 가장 많이 사용되는 유기 태양전지 구조는 두 전극 사이에 끼어 있는 광자 포집 활성층을 기반으로 하며, 이 전극 중 하나는 빛이 투과할
수 있도록 투명해야 합니다. 유기 반도체를 타격하는 광자는 전하 운반 엑시톤을 생성하며, 두 물질(전자공여체와 전자수용체)을 사용하여 별도의
전자 및 정공으로 분리됩니다. 전기장으로 유도된 전자와 정공은 각 전극으로 이동하여 전기회로를 형성하는 데 필요한 전하 분리를 생성합니다.
쉬크 박사의 연구에서는 투명 실버 나노와이어(AgNW) 메시 전극을 사용하여 부서지기 쉬운 희귀 ITO를 대체하는 것은 물론, 환경을 파괴하는 화학물질의 대안으로서 유기 물질에서 활성층을 형성하는 방법을 살펴보고 있습니다. |
활성층의 유기 물질
활성층은 광자에서 에너지를 포획하는 곳이며 유기 태양전지 내에서 이것은 흔히 폴리머와 풀러린이 비연속적으로 혼합되면서 형성됩니다. 전자 공여체 역할을 하는 폴리머와 전자 수용체 역할을 하는 풀러린을 사용한 이 벌크 이종접합 구조로 인해 전자와 정공의 전하 분리가 강화되므로, 태양전지 기능이 향상됩니다. 그러나 폴리머는 흔히 체인 길이가 다른 물질, 그리고 상당히 배치(batch) 특이적인 특성을 지닌 물질을 대략 혼합한 혼합물입니다. 반면에 분자 반도체는 구조물의 작은 변화로 조절 가능한 특성을 지닌 규정된 구성 요소이므로, 태양전지 기능 개선을 최적화할 수 있습니다. 이러한 분자의 흥미로운 종류는 스쿠아레인 염료이며(그림 1), 이것의 구조는 광 스펙트럼의 적색 영역을 광범위하게 흡수합니다. 쉬크 박사의 연구는 풀러린 수용체와 혼합된 스쿠아레인에서 형성된 벌크 이종접합 활성층을 조사하는 것입니다(자세한 내용은 참조문헌 1 참고). 이 어플리케이션에서 활성층의 두께는 매우 중요합니다.즉, 너무 얇으면 전하 운반체 이동성이 제한되지만, 너무 두꺼우면 광흡광도와 유연성이 모두 크게 저하됩니다.
따라서 활성층 두께를 정확하게 측정하는 작업도 중요합니다. 쉬크 박사의 실험실에서 일단 미세 바늘로 활성층 표면을 통과시켜 스크래치를 내고 나서 형상 측정을 사용하여 이 '골짜기'의 계단형 모서리를 측정합니다. 이전에는 촉각 형상 측정을 사용했지만, 유기 물질의 부드러움이 정확한 측정에 방해가 되었습니다. 실제로 두 계단형 모서리 사이에서 약 20nm의 높이 차이가 자주 관찰되었고, 이는 활성층의 평균 두께가 100nm인 점을 고려할 때 유의미한 것입니다. 바늘이 골짜기에서 위로 올라가면서 표면을 긁고 그 결과 허위 하단 높이 판독값이 나옵니다.
3D 컨포칼 레이저 스캐닝 현미경 검사를 사용하면 레이저가 표면을 스캔하므로 이 비접촉식 방식은 표면 형상 측정의 정확도를 훨씬 높여줍니다(그림 2). 또한 샘플의 시각적 이미지를 제공하는 것이 보다 직관적이며, LEXT OLS4100을 사용하면 이 정보가 보고서로 쉽게 컴파일되어 수치 데이터를 지원하는 이미지를 표시합니다(그림 2B).
편광이 조사된 스쿠아레인.
이 분자 염료는 활성층에 지속 가능한 대안을 제공하며, 여기에서 이것은 Olympus LEXT OLS4100을 사용하여 교차된 극 사이에 시각화되어 있습니다.
 그림1.A: 단일 크리스탈의 금색 금속 광택, |  그림1.B: 정돈된 스쿠아레인의 스핀코팅층, 열적 어널링(annealing)시 결정화를 통해 구정 응집체 형성. |
연성 물질의 정확한 측량.
연성 유기 물질에서 형성되는 활성층은 일반적으로 두께가 100nm이고 접촉으로 쉽게 손상됩니다.
 그림2.A: 여기서 비접촉 형상 측정은 Olympus LEXT OLS4100을 사용하여 확보됩니다. |  그림2.B: 보고서로 컴파일링되는 데이터. |
투명 전극
광 투명성과 전도성을 결합한 투명 전극은 태양전지의 양극을 구성하는 동시에 빛이 활성층으로 통과하도록 해줍니다. 급격하게 감소하고 있는 자원인 ITO는 현재 투명 전극의 산업 표준입니다. 또한, ITO는 취성 물질로서 기계적으로 유연한 장치에서의 사용이 제한되어 있어 대규모 처리와 호환되는 가볍고 저렴하며 유연한 대안을 모색하고 있습니다. 예를 들어, 그래핀이 잠재적인 대안이 되지만(그림 3), 조각이 매우 작아서 더 큰 영역에서는 사용이 제한됩니다.
한 가지 유망한 대안은 폴리머 기질에 포함된 실버 나노와이어(AgNW) 메시이며, 쉬크 박사의 실험실에서 두 번째 프로젝트는 전극을 형성하고 궁극적으로 유기 태양전지에 통합되는 후속 처리인 AgNW 생산에 초점이 맞춰져 있습니다.
전도성을 최적화하기 위해서는 활성층과 전극 사이에 균일한 연결부가 있어야 하며, 균질한 AgNW 메시가 필요합니다. 100nm에서 AGNW의 직경은 활성층의 두께와 같기 때문에 이러한 집적 영역을 피하고 활성층의 천공도 방지해야 합니다. 그렇지만, 실제로 이것은 최신 스핀코팅 생산 기법을 사용하여 전체 태양전지 전반에서 달성하기 어려우며, 표면 거칠기 평가는 통합 프로토콜을 최적화하는 데 중추적인 역할을 합니다.
AFM은 AGNW 메시의 표면 거칠기 평가에 사용되는 주요 기법이었지만, LEXT OLS4100의 도입으로 그 효율성이 크게 향상되었습니다. 먼저 쉬크 박사는 이미지 스티칭 기능을 사용하여 시야를 넓히면 전극 표면의 보다 전형적인 샘플을 볼 수 있다는 사실을 발견했습니다. AGNW 메시는 작은 규모에서 규칙적으로 보일 수 있지만, 1mm2(AFM을 통해 가능한 10배 더 큼)의 고해상도 이미지를 생성하면 지금까지 놓친 집적 영역을 쉽게 식별할 수 있습니다(그림 4A,B). 또한 그림 4C에서와 같이 이 소프트웨어를 사용하면 높이 프로필을 3D로 시각화할 수 있으며, 이것은 분석과 문서화 모두에 유용합니다. 그뿐만 아니라, 로우패스 필터 높이를 80μm에서 800μm로 늘리면 실버 나노와이어의 융기된 영역을 보다 통찰력 있게 분석할 수 있습니다.
또한 AFM이 시간 소모적인 경우도 있습니다. 장비를 설정하고 팁 관련 아티팩트를 조정한 후 스캔 자체에 최대 1시간이 소요될 뿐만 아니라, 유용한 단일 이미지를 획득하는 데 하루 종일 걸릴 수 있습니다. 3D CLSM을 사용하면 현미경 검사 경험이 부족한 학생이라도 전용 소프트웨어 덕분에 이미지 획득을 빠르고 매우 직관적으로 진행할 수 있습니다. 성능 측면에서 이 연구진은 LEXT OLS4100을 사용한 AFM과 CLSM이 유사한 결과를 도출했고 투명 전극의 표면 거칠기 평가의 효율성이 개선된다는 사실을 확인했습니다.
이 프로젝트의 또 다른 흥미로운 측면은 LED와 터치 스크린을 포함한 광전자 어플리케이션 전반에서 투명 전극의 상당한 잠재력입니다.이 경우에 ITO 대안 물질을 개발하는 작업도 집중 조사의 핵심입니다. 미래에는 광전자 인터페이스가 빛을 사용한 망막 임플란트를 통해 전기 출력을 생성하고 신경 활동을 자극함으로써 시력 회복이 가능할 수도 있습니다.
발광 유기 반도체로 코팅된 다층 그래핀 조각.
 그림3 | 이 구조는 현재 유기 발광 다이오드에서 조사되고 있으며, 그래핀 조각이 대형 광전지 표면에는 너무 작지만 그래핀도 투명 전극으로 사용될 수도 있습니다. 교차되어 시각화. |
Olympus LEXT OLS4100을 사용한 실버 나노와이어 메시 전극의 표면 거칠기 평가.
이미지 스티칭 기능은 시야를 넓히고, 로우패스 컷오프 필터는 800μm로 설정됩니다.
 그림4.A: 명시야에서 대규모 나노와이어 분산 분석 촉진. |  그림4.B: 높이 컬러 그래프. |
 그림4.C: 유기 태양전지 구조. | |
요약
지속 가능한 방식으로 전 세계 전력망을 공급하는 일은 오늘날 전 세계가 직면한 가장 큰 과제로 꼽히며, 이제 혁신적인 솔루션에 대한 연구를 진행하기에 흥미로운 시기입니다. 기존의 태양전지 제조에 대한 친환경 대안으로서 널리 사용되는 물질이 앞으로 사용할될 수 있을 것이며, 이에 대한 연구는 최신 기술 개발로 촉진될 것입니다.
Olympus LEXT OLS4100 3D 공초점 레이저 주사 현미경은 비접촉식 형상 측정을 통한 활성층의 정확한 스텝 측정 지원에서 속도와 첨단 고급 소프트웨어 기능을 사용한 분석 효율성 개선에 이르기까지 마누엘라 쉬크 박사의 연구 그룹에 스타일러스 기반 방법에 비해 다양한 장점을 제공했습니다. 앞으로 수년 간 대체 에너지가 더 중시되면서 진화하는 광학 현미경 기술이 태양광 혁신에 중추적인 역할을 하게 될 것입니다.
작성자 정보
마르쿠스 파비치(Marcus Fabich)는 Olympus SE & CO.KG(독일 함부르크)의 재료과학 현미경 검사 담당 제품 관리자입니다.
참조문헌
1.S.Brück, C.Krause, R.Turrisi, L.Beverina, S.Wilken, W.Saak, A.Lützen, H.Borchert, M.Schiek, J.Parisi, Structure–property relationship of anilino-squaraines in organic solar cells, Phys.Chem.Chem.Phys.16 (2014) 1067.
2.F.Balzer, H.H.Henrichsen, M.B.Klarskov, T.J.Booth, R.Sun, J.Parisi, M.Schiek, P.Bøggild, Directed self-assembled crystalline oligomer domains on graphene and graphite, Nanotechnology 25 (2014) 035602.
