미래 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지. 공정을 단순화하는 것이 주요한 과제입니다. 특히 프린팅 방식을 이용한 태양전지 생산은 차세대 태양전지를 선도할 기술로 두각을 나타내며 활발한 연구가 진행 중이죠.
그 중에서도 유기태양전지는 고분자 소재의 가볍고 유연한 특성으로 프린팅 방식을 이용한 태양전지 구현에 가장 적합한 기술 방식이라 할 수 있습니다.
하지만 현재까지 전 세계적으로 보고된 많은 고효율 유기태양전지는 작은 활성영역(0.1 cm2이하)에서는 고효율을 보이나, 넓은 면적에서는 재현성이 낮아 실제 프린팅 공정을 이용한 유기태양전지 상업화에 많은 제약을 갖고 있었는데요.
최근 국내 연구진이 저온에서 높은 공정 신뢰성을 보이며 대면적 제작이 가능한 고효율 유기태양전지를 개발했다고 밝혔습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 대면적으로 프린팅이 가능한 저온공정용 고분자 신소재를 개발하는데 성공했습니다. 이를 이용해 고효율 유기태양전지를 개발했다고 합니다.
KIST 손해정 박사팀은 기존 고분자 광활성층 소재를 대체하는 새로운 고결정성의 전도성 고분자를 개발하여 태양전지 광활성층 소재로 이용했어요. 연구진이 개발한 고분자는 기존보다 높은 용해도를 보여 저온에서 용액을 이용한 공정으로 넓은 면적에서도 손쉽게 광활성층 제작이 가능했다네요.
KIST 연구진은 기존의 고결정성 고분자의 지나친 뭉침 현상을 해결할 수 있는 제3의 물질(단량체, monomer)를 고분자에 도입해 합성했습니다. 그 결과 높은 결정성과 우수한 전기적 특성을 보였습니다. 용액에서도 잘 녹아 용액공정에 적합한 새로운 고분자 소재 제작에 성공했습니다.
연구진이 개발한 신규 고분자는 기존에 비해 매우 효율이 우수했다고 합니다. 1㎠ 활성영역을 기준으로 기존 고분자를 이용한 소자에 비해서 30% 가량의 효율 향상을 보였습니다. 최고 9.45%의 높은 광전변환효율을 기록했다네요. 이러한 성능은 보고된 비슷한 면적의 유기태양전지 소자 중 최고 수준의 결과입니다.
기존의 유기태양전지의 광활성층 두께가 100 나노미터(nm, 10억분의 1m) 이상인 경우 낮은 전하이동도 특성으로 효율이 감소하는 경우가 대부분이었는데요. 이 점은 태양광 흡수에 제한이 되고 대면적 프린팅 공정시 활성층의 두께 조절에 있어서 제약이 됐었죠.
KIST 연구진은 개발한 신규 광활성층 고분자 소재로 광활성층의 두께를 350나노미터(nm) 이상으로 제작했을 때, 오히려 광전변환효율이 향상되는 특징을 보임으로써 대면적 유기태양전지 모듈 제작에 우수한 적합성을 보였습니다.
KIST 손해정 박사는 “이번 연구를 통해 유기태양전지의 성능뿐 아니라 대면적화에 중요한 기여를 할 것으로 보인다”며, “향후 유기태양전지의 상업화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시 할 수 있을 것”이라고 밝혔습니다.
연구진은 후속 연구로 프린팅 공정을 이용한 유기 태양전지 모듈을 제작하고 있다고 합니다. 향후 건물 창호나 아웃도어 제품에 적용할 수 있을 거래요. 이 연구결과는 지난해 12월 에너지 분야의 국제학술지 <Advanced Energy Materials>에 온라인 게재됐습니다. 2018년 최신호 표지논문으로 선정됐다고 합니다.
