경상대, 광활성층 두께에 따른 효율 감소가 적은 인쇄용 유기태양전지 재료 개발

[베리타스알파=나동욱 기자] 경상대는 공대 고분자공학과 권순기 교수, 박광훈 박사과정, GIST 신소재공학부 이광희 교수, 이선규 박사과정, 이종훈 박사 연구팀이 공기 중에서의 인쇄 공정을 통한 고효율 유기태양전지 재료를 개발했다고 21일 밝혔다.

이번 연구는 인쇄용 유기태양전지 제작에 큰 걸림돌이었던 광활성층 두께에 대한 효율 변화를 최소화함으로써 상용화에 기여할 것으로 기대됐다. 연구결과는 에너지 분야 최고 학술지 중의 하나인 '첨단 에너지 재료(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다.

유기태양전지는 현재 상용화돼 있는 유연성이 낮은 실리콘 기반의 무기물 태양전지와 달리 플라스틱과 같은 유기물 기반으로 가볍고 유연해 인쇄 공정으로 대량 생산이 가능해 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 현재 유기태양전지의 광전변환효율이 15% 이상인 고효율 유기태양전지 재료가 보고되고 있지만 대부분 광활성층 두께가 ≈100nm 이하에서 최적화돼 있을 뿐만 아니라, 두께에 따른 소자 성능의 의존성이 매우 커 실제 인쇄 공정을 통해 상용화하는 데 가장 큰 걸림돌로 여겨지고 있다.

연구팀은 유기광활성층의 내부 형상이 두께에 따라 극심한 차이를 보이며, 이러한 내부 형상의 변화가 유기태양전지 소자 성능을 저해하는 주요 원인인 것을 밝혀내었다. 이를 극복하기 위해 광활성 재료인 비풀러렌계 억셉터의 곁사슬에 알콕시 기의 위치와 모양을 조절한 신규 재료를 개발해 광활성 재료 간의 표면에너지 차이를 감소시키는 기술을 통해 필름의 내부 형상이 두께에 따라 균일하게 형성되도록 제어했다. 이를 통해 인쇄공정에서 광활성층 두께가 약 70~300nm에서도 광전변환효율 감소가 적은 유기태양전지를 개발하는 데 성공했다.

연구진은 이 기술을 통해 기존 재료의 경우 광활성층의 두께가 ≈70nm에서 ≈300nm로 두꺼워졌을 때 광전변환효율이 약 45% 이상 급격히 감소했지만 새로 개발된 재료를 이용해 표면 에너지를 제어한 경우 효율이 약 75% 이상으로 유지됐다. 또한, 이를 이용해 첨가제를 사용하지 않고도 공기 중에서 닥터 블레이드 기술을 사용한 인쇄공정을 통해 최대 9.68%의 광전변환효율을 달성했다.

연구팀은 "이러한 접근법으로 광활성층 재료설계 및 형태학적 구조 제어를 통해 인쇄 공정을 이용한 유기태양전지 실용화에 한발 더 다가서게 될 것"이라고 말했다.