[사이테크 플러스] "고효율 유기태양전지 대면적 제작 용액공정 개발"

KIST 손해정 박사 "플라스틱 기반 태양전지 페인트 기술로 활용 기대"

국내 연구진이 유기태양전지를 용액공정을 통해 대면적으로 제작할 때 효율이 떨어지는 원인을 규명하고, 이를 해결할 수 있는 공정을 개발해 고효율 유기태양전지를 대면적으로 제작하는 데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 27일 유기태양전지 소재를 용액공정으로 작은 면적과 큰 면적의 필름으로 만들 때 차이점을 규명하고, 대면적 제작 시 나타나는 효율 저하 문제를 공정을 통해 해결하는 고효율 유기태양전지 대면적화 기술을 개발했다고 밝혔다.

유기태양전지(Organic Photovoltaics)는 탄소 기반의 전도성 광흡수 유기재료를 사용해 만든 태양전지로, 페인트처럼 만들어 필름으로 제작하거나 건물이나 자동차 등 원하는 공간에 칠하는 방식으로 태양전지를 만들 수 있어 활발히 연구되고 있다.

유기태양전지 소재를 용액으로 만들어 코팅 방식으로 태양전지를 제작하는 용액공정 태양전지는 전기를 생산하는 활성 영역 면적이 0.1㎠ 정도로 머물러 있으며, 이를 넓은 면적으로 제작하면 소재와 공정의 한계로 성능이 크게 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 이 연구에서 상용화된 유기태양전지 소재가 용액 상태에서 굳으면서 필름을 형성할 때 쉽게 결정화되는 성질이 있어 대면적 용액공정에 부적합하다는 사실을 밝혀냈다.

산업용으로 쓰이는 대면적 용액공정은 유기태양전지 소재가 녹아 있는 용매가 증발해 필름이 형성되는 속도가 느리기 때문에 태양전지 소재의 뭉침 등 현상이 일어나 광전변환 효율이 떨어진다는 것이다.

실험실 연구 단위에서 쓰이는 스핀 코팅 방법은 필름을 빠르게 회전시키기 때문에 용매가 빨리 증발해 태양전지 소재의 뭉침 현상 등이 없어 고효율 필름 제작이 가능하지만 0.1㎠ 정도의 작은 면적만 만들 수 있는 한계가 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이 결과를 바탕으로 용매의 특성을 조절하고 공정 온도를 50℃로 높여 용매 증발속도를 제어하는 롤투롤(roll-to-roll) 대면적 용액공정을 개발, 고효율 유기태양전지를 58.5㎠ 대면적으로 제작하는 데 성공했다.

이렇게 제작한 대면적 고효율 유기태양전지는 광전변환효율이 9.6%로 스핀 코팅 방식과 비슷하고 기존의 상온 롤투롤 방식을 적용했을 때보다는 30% 높아졌다.

손해정 박사는 "이 연구는 상용화에 가까운 신뢰성 있는 고효율 대면적 유기태양전지 소재 개발 원리를 규명하고 공정기술을 개발한 것"이라며 "실용화되면 페인트처럼 칠하는 방법으로 공간 제약 없이 태양전지를 제작하는 것도 가능할 것"이라고 말했다.

이 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '나노 에너지'(Nano Energy) 최신호에 게재됐다.

/연합뉴스