고효율 고분자 태양전지 기술 개발

국내 연구진이 고분자 태양전지*의 아킬레스건인 낮은 효율과 안정성 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발해 냈다. 대면적 제작에 용이하고 유연하게 만들 수 있어, 차세대 태양전지로 각광받는 고분자 태양전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.

* 고분자 태양전지(polymer solar cell) : 태양빛을 흡수하는 고분자를 이용해 얻은 빛에너지를 전기에너지로 변화하는 태양전지로 용액공정이 가능해 제작이 비교적 쉬워 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 실리콘 대비 전자 및 정공 이동도가 매우 느려서 실리콘 무기물 태양전지 대비 효율이 낮다.

울산과학기술대학교 송명훈 교수 연구팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 재료 및 응용분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈지 10월 4일자 온라인판에 게재되었다.

( 논문명 : Amine Based Polar Solvent Treatment for Highly Efficient Inverted Polymer Solar Cells )

한편 이번 연구에는 한국과학기술원, 전자부품연구원, 재료연구소 및 울산대학교 등이 함께 참여했다.

고분자 태양전지는 간단한 용액공정으로 제작할 수 있어 비교적 적은 비용으로 대면적 제작이 가능하다. 또한 형태의 제약이 적고 유연하게 구현할 수 있어 차세대 태양전지로 각광받는다.

하지만 기존 상용 실리콘 태양전지와 비교할 때 소자의 안정성이 떨어지고 광전변환효율이 낮아 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 나뭇잎 형태의 나노구조를 갖는 산화아연 전자수송층* 위에 극성용매를 처리해 고효율의 고분자 태양전지를 개발했다.

극성용매 처리를 통해 고분자 태양전지 효율을 기존 극성용매를 처리하지 않은 역구조의 유기 태양전지(6.71%) 대비 30% 향상된 8.69%까지 높였다.

통상 상용화를 위해서는 빛을 전기로 바꾸는 광전변환효율이 10%이상이 되어야 상용화 할 수 있다고 알려져 있다.

* 전자수송층 : 역구조 고분자 태양전지 구조 (ITO/금속산화물/활성층/MoO3/Au or Ag) 에서 ITO위에 코팅되는 산화아연과 같은 금속산화물층으로 활성층에서 생성된 전하 중 전자가 활성층에서 ITO쪽으로 원활하게 추출될 수 있게 도움을 주는 층

연구에 사용된 역구조 고분자 태양전지는 금이나 은 같은 공기 중 안정성이 높은 특성을 갖는 금속을 양극으로 사용해 소자의 안정성이 높은 반면 효율이 낮다는 것이 단점이었다.

이에 연구팀은 박막물질 코팅으로 전자수송층과 광활성층 사이의 높은 에너지 장벽을 낮춰 전자의 수송을 도와 문제를 극복했다.

특히 합성물질 대신 에탄올이나 메탄올 같이 흔히 사용되는 극성용매만으로 효율을 높인 점에서 주목받는다.