고분자 신소재를 광활성층으로 사용해 고효율 유연 유기태양전지 구현
[기계신문] 미래 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지 개발에 있어 한 가지 중요 사항은 플라스틱 기판 위에 가볍고 유연한 태양전지를 가능하게 하는 것이다. 이를 위해 프린팅 저온공정 방식을 이용한 태양전지 생산은 차세대 태양전지를 선도해나갈 기술로서 연구가 활발히 진행되고 있다.
유기태양전지는 프린팅 공정을 이용하여 제작되는 가장 대표적인 태양전지 기술이며, 소재 특성상의 장점 덕분에 가볍고 유연한 태양전지 구현에 가장 적합한 기술로 각광을 받고 있다. 플라스틱 기판 위에 유기태양전지를 제작하기 위해서는 100 ℃ 근처 혹은 그이하의 온도에서 모든 공정이 이루어져야 한다.
하지만 실제로 태양전지에 광활성층이 높은 전기적 특성과 광전 변환 특성을 가지기 위해서는 고분자 소재가 필름상에서 높은 결정 특성을 가져야 하며, 이를 위해서는 고온의 열처리가 필요한데 이런 부분들이 저온공정을 기반으로 하는 고효율 유연 유기태양전지 구현을 어렵게 하고 있다.
최근 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사 연구팀은 저온 프린팅 공정이 가능한 고성능 고분자 신소재를 개발, 이를 태양전지의 광활성층 소재로 사용하여 플라스틱(PET) 기판 위에 고효율의 유연한 유기태양전지를 구현하는데 성공했다고 밝혔다.
일반적으로 유기태양전지는 가볍고 얇은 유연 태양전지 구현에 적합한 기술로 알려져 있으나, 높은 전기적 특성을 얻기 위해서는 태양전지 제작과정에서 높은 열처리 과정을 필요로 한다.
특히 광활성층에 쓰이는 고결정성 고분자는 전기적 특성은 좋으나 이를 위해서는 박막형성 후 열처리 공정을 필요로 하며, 때문에 PET와 같은 플라스틱 기판 위에 유연태양전지 소자를 구현하는데 어려운 문제점을 가지고 있다.
따라서 이들 고분자를 이용한 유기태양전지는 유리 기판 위에 제작할 경우 태양전지 효율이 높으나, 플라스틱 기판 위에서는 큰 효율 감소를 보여 왔다. 이러한 문제 해결을 위해서는 저온 프린팅 공정에 적합한 고성능 고분자 소재 개발이 중요시되어 왔다.
연구팀은 기존 고분자 소재를 대체할 수 있는 신규 전도성 고분자를 개발하여 태양전지 광활성층 소재로 이용하였다. 이 고분자는 기존 고결정성 고분자에 비해 결정성은 낮지만 오히려 광활성층 내 전하의 생성과 운반에 유리한 특성을 지닌다.
그렇기 때문에 기존 고분자가 고결정성을 갖기 위해 160 ℃ 이상의 높은 온도에서 열처리 공정이 필요한 반면, 신규 고분자의 경우 이러한 열처리 공정을 거치지 않아도 높은 특성을 보이는 것으로 나타났다.
연구팀은 고결정성 고분자에서 화학구조의 규칙성을 낮춰 새롭게 합성했다. 이 고분자 신소재는 고분자가 광활성층 내 소재와 잘 섞이게 되고, 이는 고분자가 우수한 전기적 특성을 가지게 하는 것으로 나타났다.
연구팀은 두 경우의 플라스틱 기판 위에 태양전지를 제작했을 때 기존 고분자의 경우 태양전지 효율 저하를 보였으나, 신규 고분자의 경우 열처리가 필요 없으며 상대적으로 유리 기판에 위에 제작된 소자와 비슷한 효율을 유지하였다.
연구팀이 개발한 신규 고분자를 이용한 플라스틱 기반 유연 유기태양전지는 기존 고분자를 이용한 소자에 비해서 40 %가량의 효율 향상을 보였으며, 최고 10.02 %까지의 높은 광전변환효율을 기록하였다. 이러한 성능은 플라스틱 기반 유연 유기태양전지 소자 중 최고 수준의 결과이다.
손해정 박사는 “이번 연구를 통해 개발한 유기태양전지 고분자 소재는 태양전지 공정 과정을 획기적으로 개선하여 플라스틱 기반의 고효율 유연 태양전지 구현에 중요한 기여를 했다”며 “향후 유기태양전지의 상용화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
또한 손해정 박사 연구팀은 최근 개발된 신규 고분자의 후속 연구로 프린팅 공정을 이용한 유연 유기태양전지 모듈을 제작하고 있으며, 향후 건물 창호나 아웃도어 제품에 적용이 가능할 것으로 예상된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업과 KIST ‘Young Fellow’ 프로그램에 따라 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 최신호에 게재되었으며, 표지논문으로 선정, 발행될 예정이다.