새로운 수중 플라즈마 나노입자 합성기술로 유기태양전지의 전환효율을 획기적으로 높이는 데 성공했다.
국가핵융합연구소 플라즈마기술연구 센터의 홍용철 책임연구원, 허진영 학생연구원과 경희대학교 응용화학과 고두현 교수, 남민우 박사 공동연구팀은 수중 플라즈마 기술을 이용한 전자수송용 나노입자 합성기술을 개발해 유기태양전지의 광에너지 전환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)을 획기적으로 높이는데 성공했다고 밝혔다.
유기태양전지는 가볍고 저렴하다는 장점과 더불어 롤투롤(roll to roll)방식의 대면적, 대량생산이 가능해 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만, 광에너지 전환효율이 낮다는 것이 문제점으로 여겨졌다.
공동연구팀은 수중 플라즈마를 이용해 합성한 수소이산화티탄 (Hydrogenated TiO2, H-TiO2) 나노입자를 유기태양전지의 전자수송층에 적용해, 기존 이산화티탄(TiO2)을 적용한 유기태양전지 보다 광에너지 전환효율이 약 50% 이상 증가한 9.12%로 높이는데 성공했다.
수소이산화티탄은 일반적인 전자수송층으로 사용되는 이산화티탄에 비해 향상된 전기전도도를 보였으며, 이로 인해 유기태양전지의 전하 수송 및 추출 능력이 향상하는 것으로 밝혀졌다. 뿐만 아니라 낮은 밴드 갭(Band gap: 2.88 eV 이하)을 형성하여 자외선을 조사하였을 때만 효과적인 전자이동이 가능했던 기존 유기태양전지의 성능 및 수명 저하 문제점도 해결하는 결과를 얻었다.
기존 수소이산화티탄 합성 방식인 수소 열처리 방식(Hydrogen thermal treatment), 화학적 기상 증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition) 등은 고가의 장비를 필요로 하고 다량의 화학물질을 사용해 환경오염 물질을 만들어 낸다는 문제가 있었다. 또한 합성에 평균 5시간 이상이 소요되어 양산화에는 한계가 있었다.
반면, 이번에 개발한 ‘수중 플라즈마 수소이산화티탄 합성 시스템’은 구조가 간단할 뿐만 아니라, 합성시간을 5분 이내로 단축할 수 있어 기존의 기술보다 60배 이상 생산 속도를 높일 수 있다. 또한, 플라즈마 이외에 다른 화학물질을 사용하지 않아 친환경적이다.
연구 결과는 지난 1월 30일 세계적 학술지인 “어드벤스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, year impact factor: 16.721)”에 게재됐다.
핵융합(연) 유석재 소장은 “플라즈마를 이용한 기술은 공정이 간단하고 2차 환경오염이 없어 비용절감 효과와 함께 고효율 생산을 가능하게 하는 것이 특징이다. 이는 그동안 전량 수입에 의존했던 나노입자 산업의 트렌드를 변화시키고, 새로운 시장창출과 수출 효과를 기대할 수 있게 할 것이다”라고 밝혔다.
■■ 용어
1) 플라즈마
물질의 4번째 상태로 알려진 플라즈마는 기체를 가열하여 전자, 중성입자, 이온 등의 입자들로 나누어져 자유롭게 움직이는 상태로 전하 분리도가 상당히 높으며 전체적으로는 중성을 띈다. 플라즈마는 전자의 온도와 기체의 비율, 압력 등에 따라 분류할 수 있다.
2) 전자수송용 나노입자
유기태양전지는 양극과 음극사이에 빛에너지를 전기로 전환하는 활성층이 있으며, 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서 음극과 활성층 사이에 전자수송층을 넣는다. 전자수송층은 음극에 주입 된 전자를 용이하게 활성층으로 보내주는 역할을 하며 이때 사용되는 나노입자를 전자수송용 나노입자라 한다.
3) 광에너지 전환효율 : 태양전지에 입사되는 태양광에너지가 얼마나 많은 전기에너지를 발생시켰는가를 나타내는 척도를 말하는 것으로 같은 면적에 같은 조건의 태양이 비추어졌을 때 더 많은 전기를 생산하는 것이 변환효율이 더 높은 태양전지라 할 수 있다.
4) 밴드갭
에너지 갭(Energy Gap)이라고도 불리며 전자가 존재하고 있는 가장 높은 에너지 레벨(Valence Band)부터 전자가 존재하지 않는 가장 낮은 에너지 레벨(Conduction Band) 사이의 에너지 준위나 그 에너지 차이를 이야기한다. 밴드갭의 에너지보다 더 큰 에너지를 주었을 경우, 전자가 존재하는 에너지 레벨(Valence Band)에서 전자가 존재하지 않는 에너지 레벨 (Conduction Band)로 전자가 이동이 가능하다. 이런 에너지 레벨이 겹쳐있는 물질을 도체 또는 금속이라고 하며, 작은 밴드 갭이 존재하는 물질을 반도체, 큰 밴드 갭이 존재하는 물질을 절연체 또는 부도체라고 한다.