광주과학기술원 이광희 교수 연구팀은 “고효율의 인쇄형 적층 유기태양전지 제작 공정을 크게 줄인 새로운 인쇄 기술을 개발했다”고 밝혔다. 미래창조과학부(한국연구재단) 기초연구사업(개인연구) 등의 지원으로 연구를 수행했으며, 재료과학 분야 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머테리얼즈(Advanced functional materials) 지난 4월 30일자에 게재되었다.
인쇄형 : 값싼 용액 공정을 통해 롤에서 롤로 이동하면서 유기태양전지를 신문 인쇄하듯 찍어내는 형태. 유기태양전지 : 플라스틱 같은 유기물을 광활성층의 주원료로 사용하는 태양전지.
주요 에너지원인 화석 연료의 고갈로 인해 이를 대체할 신재생 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 유기태양전지는 가볍고, 유연하여 휴대하기 쉽다는 장점이 있다.
특히 넓은 면적의 유기태양전지는 용액 공정을 통한 인쇄 공정이 가능하여 값 싼 공정비용으로 제작 될 수 있다. 때문에 차세대 저가형 신재생 에너지원으로써 휴대용 전자기기, 군사 에너지원, 건물일체형 에너지원 등을 위한 차세대 저가형 신재생 에너지원으로 각광받고 있다.
군사 에너지원 : 군사 작전 시에 이용되는 전자기기의 전력을 제공하는 장치로 휴대성이 요구됨. 건물일체형 태양광발전시스템 : 태양전지를 건축물 외벽의 외장재로 사용하는 태양광 발전 시스템
유기태양전지가 상용화되기 위해서는 비결정 실리콘 기반의 무기태양전지와 상응하는 광변환 효율을 보여야 한다. 하지만 유기 광활성 물질이 지니는 성질들(낮은 전하 이동도, 좁은 흡광 영역)로 인해 단일층 구조 유기태양전지는 상용화 될 수 있는 광변환 효율을 만족시키기는 어려운 실정이다.
전하이동도 : 전하를 가진 입자의 단위 전기장 하에서 이동 속도
폭넓은 흡광영역을 지니는 적층형 유기태양전지를 통해 광변환 효율이 크게 증대 되었다. 하지만 다층구조의 복잡한 공정은 실제 산업계에 적용할 수 있는 인쇄 공정에서 고효율의 적층형 유기태양전지를 개발하는 데에는 어려움으로 작용하고 있다.
적층형 유기태양전지 : 광변환 효율을 향상시키기 위해, 두 개의 단일층 유기태양전지가 전기적으로 연결되어 적층된 형태
연구팀은 기존 적층형 유기태양전지 제작 공정을 절반으로 줄이는 단순한 인쇄 기술 개발을 통해 상용화를 앞당기고자 하였다.
개발 주요 내용으로는 연구팀은 고분자 전해질인 기능층(Polyethyleneimine, PEI)과 광활성 물질을 혼합한 나노혼합물을 적층형 유기태양전지 제작을 위한 인쇄 공정에 적용하였다. 나노혼합물은 구성하는 물질들 간의 표면 에너지 차이로 인해 자발적인 수직적 상 분리가 발생하였고, 그로 인해 기능층(PEI)과 광활성층을 한 번의 인쇄 공정으로 형성할 수 있었다.
광활성 물질 : 빛을 받았을 때, 전자와 정공을 생성하는 유기태양전지의 핵심 재료
ITO 전극과 재결합층 표면에 정전기적 인력으로 자기 조립된 기능층(PEI)는 기존의 음극으로 사용되는 ITO와 재결합층의 계면에 쌍극자를 형성함으로써 각 경계면의 저항을 낮추어 적층 소자 내의 이상적인 에너지 구조를 형성하였다. 이는 전기를 생성하기 위해 광활성층에서 생성된 전자와 정공이 양 전극에서 원활히 수집 된다는 것을 의미한다.
ITO 전극 : 주로 인듐틴옥사이드로 구성되어있고, 전기적 성질이 우수하고 투명함. 정전기적 인력 : 양 전하를 가진 입자와 음 전하를 가잔 입자 간의 당기는 힘
특히 기능 물질(PEI)의 분자량과 나노혼합물 상 분리 현상의 관계를 규명하였다. 정적인 코팅방식인 인쇄 공정에서 기존에 사용되던 고분자량 PEI는 광활성 물질과 공간적인 방해가 존재하여 나노혼합물의 효과적인 상 분리가 어려운 것을 확인하였다.
이를 극복하기 위해 기존의 고분자량 PEI를 저분자량 PEI로 대체하여 PEI와 광활성 물질간의 공간적인 방해를 완화시켜 나노혼합물의 자발적인 상 분리를 유도하였다. 또한 소자의 깊이에 따른 원소 성분 분석을 통해 저분자량 PEI는 광활성층에 남아 있지 않고 각 경계면 위에 층을 이루고 있는 것을 확인하였다.
나노혼합물의 인쇄를 통해 제작된 단순한 구조의 적층형 유기태양전지의 성능적인 측면을 보았을 때, 9.1%의 높은 광변환 효율을 달성하여 유기태양전지 상용화를 위한 효율 기준치인 비결정성 실리콘 기반의 무기태양전지효율(최대 약 10%)에 근접하는 성과를 이루어 냈다.
이번 개발로 기대효과로는 단순한 인쇄 공정을 통해 적층형 유기태양전지를 개발함으로써 상용화의 가장 큰 걸림돌인 인쇄 소자 효율을 크게 향상시켜 저가 인쇄 공정을 통한 유기태양전지 개발의 가능성을 제시한 것이다.
또한 자발적인 상 분리를 통해 유기 전자 소자의 인쇄 공정을 단순화 시키는 기술은 차세대 전자제품인 구부러지는 유기 전자기기(구부러지는 스마트폰과 OLED 면광원) 등에 폭 넓게 응용되어 인쇄전자 분야의 발전에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
