|
|
|
|
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(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 박혜성 교수팀은 열처리 없이 제작 가능한(상온 공정) 휘어지는 ‘유기 태양전지’를 개발했다. 이 태양전지는 ‘그래핀 전극’과 ‘산화아연 나노입자’를 활용하는 방법을 이용해 상온 공정에 성공했다. 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. 박혜성 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. |
|
*전하(電荷, electric charge): 전기현상을 일으키는 주체적인 원인으로, 어떤 물질이 갖고 있는 전기의 양이다. 음의 전하를 띠는 것을 전자, 양의 전하를 띠는 것을 양공 또는 정공이라고 한다. 태양전지에서는 전자와 정공이 음극이나 양극으로 이동하면서 전기를 생산한다. |
|
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. 박혜성 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. 이번 연구는 나노 재료 분야의 세계적인 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 1월 30일자 온라인 속보(ASAP)로 공개됐다. 연구지원은 교육부의 ‘이공학개인기초연구지원사업(기본연구), UNIST의 ’자유혁신연구지원사업‘, 산업통상자원부의 ‘산업핵심기술개발사업’을 통해 이뤄졌다. (끝)
|
|
|
|
[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경유기태양전지(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 그래핀은 2004년 발견된 이후 다양한 분야에 응용되고 있으며, 유기태양전지 전극으로 사용하기 위한 연구도 꾸준히 이뤄지고 있다. |
2. 연구내용본 연구진은 ‘그래핀 전극’과 ‘나노입자 소재’를 사용해 유기태양전지의 유연성과 상온 공정 도입을 동시에 구현했다. 우수한 광학적·전기적·물리적 특성을 보이는 그래핀을 ITO의 대체전극으로 사용한 결과 태양전지의 굽힘에 대한 내구성을 높아졌다. 또 산화아연 나노입자를 전자수송층으로 사용해 열처리 없이 물질 특성을 유지했다. 산화아연 나노입자 열처리에 따른 성분, 결정성, 밴드갭(band gap)을 분석해 열처리하지 않아도 물질 특성이 유지된다는 사실을 입증했다. 또 일함수 측정 및 라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy) 분석과 그래핀 트랜지스터(Graphene Field-Effect Transistor, GFET)를 제작해 산화아연 나노입자가 그래핀을 n형 도핑시킴을 증명했다. 그래핀(또는 ITO) 전극/산화아연 나노입자/광활성층/금속 전극 구조의 유기태양전지를 제작해 ITO와 그래핀 전극 사용 시 광전변환효율(power conversion efficiency, PCE)을 측정 및 비교하고 휘어지는 PET(polyethylene terephthalate) 기판에 적용해 굽힘 시험을 통해 그래핀 전극 기반 태양전지의 유연성이 훨씬 뛰어남을 증명했다. ITO 전극 기반 유기 태양전지는 굽힘 시험 시 급격히 효율이 감소했지만, 이번에 개발한 그래핀 전극 기반 유기 태양전지는 100번 이상의 굽혀도 80% 이상의 초기 효율이 유지됐다. |
3. 기대효과이번 연구로 그래핀을 유기태양전지 전극으로 사용하는 기술과 나노입자 소재를 열처리 없이 사용하는 기술의 연구 방향을 제시했다. 그래핀의 물리적 특성을 이용한 소자의 유연성 확보와 나노입자 도입을 통한 상온 공정 개발로 고효율의 휘어지는 유기 태양전지를 제작해 유기태양전지의 상용화 가능성을 높였다. 이뿐만 아니라 다양한 웨어러블 소자에 응용 가능한 차세대 에너지원으로써의 활용 가능성을 제시했다. |
|
[붙임] 용어 설명 |
1. 유기태양전지(organic photovoltaics, OPVs)태양전지는 크게 유기태양전지와 무기태양전지로 나눌 수 있다. 무기태양전지는 우리가 흔히 보는 실리콘 같은 반도체 재료로 만들며, 유기태양전지는 유기물을 재료로 만든다. 유기태양전지의 광활성층과 전하수송층(charge transport layer) 등 전지의 각 층에 유기 물질을 사용한다. ‘기판/전극/전하수송층/광활성층/전극’을 기본 구조를 가진다. 2. 그래핀(graphene)2004년 흑연에서 스카치 테이프를 이용해 분리한 이후 광학적·전기적·물리적 특성이 뛰어남을 보이며 많은 관심을 일으켰다. 이로 인해 그래핀 자체에 대한 연구뿐만 아니라 다양한 분야로 응용할 수 있는 연구가 다수 진행됐다. 3. 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)그래핀을 합성하는 방법 중 하나로 구리나 니켈 등의 전이금속에 기체 형태의 수소나 메탄을 흘려주며 열에너지를 가해 반응시킨 후 냉각시키는 방법이다. 이때 전이금속에서 탄소가 빠져나와 표면에 그래핀이 형성된다. 대면적 그래핀 합성이 용이한 장점이 있다. |
|
[붙임] 그림 설명 |
|
그림1. 그래핀 전극 유기태양전지 구조와 효율: 그래핀 전극/산화아연 나노입자/광활성층/금속전극 구조로 유리 기판에서 ITO 전극(파란선)보다 90% 이상의 효율(빨간선)을 보인다. PET 기판에 적용해 구부러짐에 의한 효율 유지 효과가 훨씬 큰 것을 알 수 있다.
그림 2. 산화아연 나노입자 층의 열처리 유무에 따른 특성: 열처리하지 않은 산화아연 나노입자(ZnO-NP-AF)와 열처리를 해준 나노입자(ZnO-NP-A)의 (a) 밴드갭과 (b)그래핀 상 일함수는 거의 동일하며 (c) 그래핀 트랜지스터(GFET) 제작과 (d) 라만 스펙트로스코피(Raman spectroscopy) 분석을 통해 산화아연 나노입자가 그래핀을 n형 도핑시킴을 증명했다. |
|
UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr TEL : 052)217-1230FAX : 052)217-1229 |
![[연구그림] 그래핀 전극 기반 유기 태양전지의 구조와 효율](/kor/wp-content/uploads/2018/02/연구그림-그래핀-전극에-산화아연-나노입자를-전하수송층으로-활용한-유기-태양전지의-구조.jpg)
