[기계신문] 친환경 신재생에너지로 태양에너지는 무한히 재생 가능하며 소멸되지 않는 에너지원으로 태양광을 이용한 에너지생산에 대하여 여전히 높은 관심을 가지고 있다.
이 중 유기태양전지는 값이 저렴하고 대면적화가 비교적 용이하며 플렉서블한 태양전지 생산이 가능한 장점을 가지고 있다. 하지만 여전히 낮은 효율과 수명문제로 인해 이를 개선하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.
유기태양전지의 한 구성요소인 정공수송층(hole transport layer)은 정공이 잘 움직이도록 도와주는 층을 말하는데, 기존 정공수송층(PEDOT:PSS)은 정공수송에 적합한 일함수(5.0 eV)를 가지며 높은 투과도와 플렉서블 소자로의 응용가능성 때문에 많이 각광 받아 왔다.
하지만 물과 같이 제한된 용매사용, 구조 및 높은 비율에 유전체 구성으로 인한 낮은 전도성, 강한 산성으로 인한 전극 분해현상 및 인접한 층의 화학종의 분해 촉진현상 등으로 인하여 성능안정성을 보장받고 있지 못한 실정이다.
한국과학기술연구원(KIST)은 물질구조제어연구센터 백경열 박사 연구팀이 전도성을 가지는 블록공중합체와 카본소재를 복합화하여 기존 정공수송층의 문제를 보완하면서 정공수송 성능이 향상된 새로운 정공수송층 소재를 개발했다고 밝혔다.
연구팀이 개발한 새로운 고분자 소재는 산성이 아닌, 중성상태에서 다양한 용매에 대한 용해도를 가지고 있어 용액기반 공정에 다양한 접근이 가능하고, 기존의 산성수용액에 의한 전극의 부식 현상을 극복함으로써 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있는 안정성을 부여할 수가 있다.
새롭게 개발된 정공수송층 소재는 용액공정 이후에 간단한 열처리 공정을 통하면 전도성고분자의 도핑 현상을 유도함으로써 기존 정공수송층 소재와 유사한 일함수(5.1 eV)를 가지면서 기존 대비 5배 향상된 전기전도도를 가지는 것으로 나타났다.
또한 열처리 시 동시에 불용의 물리적 가교가 형성되어 추가적인 용액공정 시 높은 내화학성을 가지는 장점이 있어 용액공정을 다변화와 유기태양전지의 성능 안정성과 에너지변환 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 새로운 정공수송층 소재는 유기태양전지 내의 정공수송층의 문제를 보완하면서 에너지변환 효율을 높일 수 있을 것으로 전망한다”며 “향후 유기태양전지 뿐만 아니라 다양한 유기광전자소자에도 널리 활용 가능한 소재가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번에 개발된 새로운 정공수송층 소재는 중성상태에서 다양한 용매에 용해도를 가지고 있어 용액기반 공정에 다양한 접근이 가능할 것으로 보이며 중성상태에서의 용액공정 적용은 기존에 전극 분해현상 및 인접한 층의 화학종의 분해 촉진현상 등을 완화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부 지원으로 소재부품기술개발사업과 KIST의 기관고유사업으로 수행되었다. 연구 결과는 국내특허(10-1681186)와 미국특허(9260572)에 등록이 되었으며, 재료과학 및 복합체 분야 국제 학술지 ‘Composites Science and Technology’ 최신호에 게재되었다.