대면적 제작 '고효율 유기태양전지' 개발

손해정 KIST 박사 "플라스틱 기반 플렉시블 태양전지 제작 기대"
저온 공정용 전도성 고분자 개발···고효율 유기태양전지 구현
프린팅 방식을 이용한 유기태양전지 모듈.<사진=KIST 제공>프린팅 방식을 이용한 유기태양전지 모듈.<사진=KIST 제공>

국내 연구팀이 대면적으로 제작 가능한 고효율 유기태양전지를 개발했다.

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 손해정 광전하이브리드연구센터 박사 연구팀이 대면적으로 제작 가능한 저온 공정용 고분자 신소재를 개발하고 이를 태양전지의 광활성층 소재로 사용해 고효율 유기태양전지를 개발했다고 24일 밝혔다.

광활성층이란 태양 빛을 흡수해 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극 사이의 층을 말한다.

유기태양전지는 고분자 소재의 가볍고 유연한 특성이 있어 태양전지 구현에 가장 적합한 방법이다. 하지만 유기태양전지는 작은 활성영역(0.1㎠ 이하)에서 고효율을 보이나, 넓은 면적에서는 재현성이 낮아 유기태양전지 상업화에 한계가 있었다.

연구팀은 기존 고분자 광활성층 소재를 대체하는 새로운 고결정성의 전도성 고분자를 개발해 태양전지 광활성층 소재로 이용했다. 연구팀이 개발한 고분자는 기존보다 높은 용해도를 보여 저온에서 용액을 이용한 공정으로 넓은 면적에서도 손쉽게 광활성층 제작이 가능하다.

프린팅 방식을 이용한 고분자 유기태양전지 모듈 제작 과정.<사진=KIST 제공>프린팅 방식을 이용한 고분자 유기태양전지 모듈 제작 과정.<사진=KIST 제공>
연구팀은 기존 고결정성 고분자의 지나친 뭉침 현상을 해결하는 제3의 물질을 두 종류 이상의 단량체가 연결된 고분자에 도입, 합성했다.

그결과 높은 결정성과 우수한 전기적 특성을 보였고 용액에서 잘 녹아 용액공정에 적합한 새로운 고분자 소재 제작에 성공했다.

1㎠ 활성영역을 기준으로 기존 고분자를 이용한 소자에 비해 30%가량의 효율 향상을 보였고 최고 9.45%의 높은 광전변환 효율을 기록했다.

기존 유기태양전지 광활성층 두께가 100㎚(나노미터) 이상인 경우 낮은 전하이동도 특성으로 효율이 감소하는 경우가 대부분이었다.

이러한 점은 태양광을 흡수하는데 제한이 되고 대면적 공정시 활성층의 두께 조절에 어려움이 있었다.

연구팀이 개발한 신규 광활성층 고분자 소재로 광활성층의 두께를 350(㎚)나노미터 이상으로 제작했을 때 오히려 광전변환 효율이 향상되는 특징을 보였다.

손해정 박사는 "이번 연구를 통해 유기태양전지의 성능뿐 아니라 대면적화에 중요한 기여를 할 것"이라며 "향후 유기태양전지 상업화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 'Advanced Energy Materials’(IF: 16.721, JCR 분야 상위 2.05%)'에 지난해 12월 27일 온라인판에 게재됐다. 또 올해 최신호에 표지논문으로 선정돼 게재될 예정이다.
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