유기태양전지(organic photovoltaics, OPV)는 생산 비용이 낮고, 가볍고 유연한 소자를 구현할 수 있어 상용화 가능한 차세대 태양전지로 기대를 모았다. 그러나 상대적으로 효율과 안정성이 낮아 상용화에 큰 제약이 됐다.
이에 효율과 안정성을 향상시키기 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 그 결과 최근에는 12% 이상의 광전변환효율을 보이는 유기태양전지가 다수 보고됐다. 이와 함께 프린팅 공정과 상온 공정, 모듈 제작 등 상용화와 직접 연관된 연구도 활발히 이뤄지고 있다.
유기태양전지 연구에 주로 사용되는 투명전극인 ITO(indium tin oxide)는 전기적, 광학적 특성이 뛰어난 물질이다. 하지만 기계적·화학적 특성이 떨어지는 단점이 있다. 이를 대체하기 위한 전극 연구로 금속 나노 구조, 그래핀, 탄소나노튜브 등의 탄소 기반 물질, 전도성 고분자 등의 개발이 진행됐다.
특히 차세대 태양전지 상용화에는 효율뿐 아니라 ‘제작공정’도 중요하다. 프린팅 방식으로 태양전지를 제작하는 기술도 이 중 하나다. 여기서 공정을 더 단순화하는 방법으로 ‘열처리’ 없이 태양전지를 만드는 기술이 꼽힌다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 박혜성 교수팀은 열처리 없이 제작 가능한(상온 공정) 휘어지는 ‘유기 태양전지’를 개발한 것이다. 이 태양전지는 ‘그래핀 전극’과 ‘산화아연 나노입자’를 활용하는 방법을 이용해 상온 공정에 성공했으며, 향후 유기 태양전지 상용화에 중요한 기술로 평가받고 있다.
유기 태양전지는 최근 12% 이상의 고효율을 달성한 연구가 다수 보고됐다. 그런데 주로 전극에 딱딱한 소재(ITO, Iindium Tin Oxide)를 사용해 휘어지지 않는다. 이런 한계를 극복하려면 전극에 유연한 물질을 써야 한다.
박 교수팀은 유연하고 잘 휘어지는 ‘그래핀(Graphene)’을 전극 물질로 사용했다. 그래핀 전극 위에서 전하(electric charge)를 이동시키는 전하수송층 물질로는 ‘산화아연 나노입자’를 선택해 코팅했다. 그 결과 그래핀 전극 기반 유기 태양전지로는 최고 효율 수준인 8.2%의 고효율을 달성했다. 또 그래핀의 뛰어난 물리적 특성 덕분에 100번 이상 굽힘 시험을 해도 80% 이상 초기 효율이 유지됐다.
특히 이번 연구에서는 그래핀 위에 산화아연 나노입자를 코팅하는 과정에서 열처리를 배제했다. 기존 유기 태양전지 제작 공정에는 전극 위에 전하수송층을 올린 뒤 반드시 고온 열처리를 해야 한다. 하지만 이번 연구에서는 열처리를 빼 전체 공정을 단순하게 개선한 것이다.
이번 연구에 제1저자로 참여한 정승온 연구원은 “그래핀은 물을 튕겨내는 성질이 있는데다 다른 용매도 잘 받아들이지 않아서 표면에 다른 물질을 코팅하기 까다롭다”며 “산화아연 나노입자의 특성을 분석하고 그래핀과 결합 여부를 파악한 덕분에 상온 공정 가능한 그래핀 전극 유기 태양전지를 개발할 수 있었다”고 말했다.
유기 태양전지는 가볍고 제작비가 저렴해 다양한 웨어러블(wearable) 전자기기의 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 이를 위해 잘 휘어지는 특성을 가져야 하는데 이번 연구에서는 그래핀 전극으로 유연성을 확보하면서 고효율도 달성했다.
박 교수는 “유연하고 효율 높은 유기 태양전지를 열처리 없이 제작할 수 있어 상용화에 한 발 더 다가갔다는 평가를 받고 있다”며 “프린팅 공정과 더불어 상온 공정까지 적용하면 유기 태양전지 대량생산도 가능해질 것”이라고 전망했다.
한편 이번 연구는 나노 재료 분야의 세계적인 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 1월 30일자 온라인 속보(ASAP)로 공개됐다. (논문명: Development of Annealing-Free, Solution-Processable Inverted Organic Solar Cells with N-Doped Graphene Electrodes using Zinc Oxide Nanoparticles)
