한국과학기술연구원(KIST)은 24일 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀이 대면적으로 프린팅이 가능한 저온공정용 고분자 신소재를 개발하는데 성공하여 이를 태양전지의 광활성층 소재로 사용, 고효율의 유기태양전지를 개발했다고 밝혔다.
미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지는 공정을 단순화하는 것이 주요한 과제이며, 특히 프린팅 방식을 이용한 태양전지 생산은 차세대 태양전지를 선도해나갈 기술로 두각을 나타내며 활발한 연구가 진행 중이다. 유기태양전지는 고분자 소재의 가볍고 유연한 특성으로 프린팅 방식을 이용한 태양전지 구현에 가장 적합한 기술 방식이라 할 수 있다. 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 있었다. 최근 국내 연구진이 저온에서 높은 공정 신뢰성을 보이며 대면적 제작이 가능한 고효율 유기태양전지를 개발했다고 밝혔다.
KIST 손해정 박사팀은 기존 고분자 광활성층 소재를 대체하는 새로운 고결정성의 전도성 고분자를 개발하여 태양전지 광활성층 소재로 이용했다. 연구진이 개발한 고분자는 기존보다 높은 용해도를 보여 저온에서 용액을 이용한 공정으로 넓은 면적에서도 손쉽게 광활성층 제작이 가능하다.
KIST 연구진은 기존의 고결정성 고분자의 지나친 뭉침 현상을 해결할 수 있는 제3의 물질(단량체, monomer)를 고분자 공중합체**에 도입 및 합성을 통해, 높은 결정성과 우수한 전기적 특성을 보이고, 용액에서 잘 녹아 용액공정에 적합한 새로운 고분자 소재 제작에 성공했다. 따라서 기존 고분자의 경우 광활성층의 면적을 넓혀서 태양전지를 제작 했을 때 효율의 저하를 보였으나, KIST 연구진이 개발한 신규 고분자의 경우 상대적으로 매우 작은 효율 변화를 보였다. 결과적으로 1cm2 활성영역을 기준으로 기존 고분자를 이용한 소자에 비해서 30% 가량의 효율 향상을 보였으며, 최고 9.45%의 높은 광전변환효율을 기록하였다. 이러한 성능은 보고된 비슷한 면적의 유기태양전지 소자 중 최고 수준의 결과이다.
기존의 유기태양전지의 광활성층 두께가 100 나노미터(nm, 10억분의 1m) 이상인 경우 낮은 전하이동도 특성으로 효율이 감소하는 경우가 대부분이었다. 이러한 점은 태양광을 흡수하는데 제한이 되고, 대면적 프린팅 공정시 활성층의 두께 조절에 있어서 제약이 되어왔다. KIST 연구진은 개발한 신규 광활성층 고분자 소재로 광활성층의 두께를 350 나노미터(nm) 이상으로 제작했을 때, 오히려 광전변환효율이 향상되는 특징을 보임으로써 대면적 유기태양전지 모듈 제작에 우수한 적합성을 보였다.
연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF: 16.721, JCR 분야 상위 2.05%) 12월 27일 온라인 게재되었으며, 2018년 최신호에 표지논문(Front Cover)으로 선정되어 게재될 예정이다.
■■ 용어
1. 활성영역 (active area)
태양전지 셀의 제1 전극과 제2 전극이 겹치는 부분을 활성 영역(active area)으로 실제 태양전지에서 외부로부터 태양빛이 태양전지의 내부로 흡수되면 빛 에너지에 의해 태양전지 내부에서 전자 (electron)와 정공(hole)의 쌍이 생성됨으로써 전력을 생산하는 영역이다.
2. 단량체 (monomer)
고분자를 형성하는 '단위 분자'로 고분자는 개략적으로 수백~. 수만개의 단량체가 중합되어 이루어진다.
3. 공중합체 (copolymer)
2종류 이상의 단량체를 연결시켜 만들어진 고분자로 여기서는 두 개의 단량체가 서로 번갈아가며 연결됨으로써 이루어진 고분자를 의미한다.
4. 광전변환효율 (power conversion efficiency)
정격 최대출력 조건에서 출력전력과 입력 유효전력의 비를 말한다.
5. 광활성층 (photo-active layer)
태양전지는 양쪽 1, 2전극과 그 사이에 광활성층의 기본 구조로 구성되어 있는데, 광활성층은 태양전지 외부로부터 태양빛을 흡수한 후 그결과 얻은 빛 에너지를 이용하여 내부에 전자 (electron)와 정공(hole)의 쌍을 생성시킴으로써 전력을 생산하는 역할을 한다.
6. Advanced Energy Materials誌
Wiley에서 발간하는 세계적인 에너지/화학분야 권위지로서 피인용지수(Impact Factor)가 2017년 기준 16.721이며, JCR 랭킹 상위 2.05%이다.