유기 태양전지 공정 간소화 기술개발

유기 태양전지 구조, 광활성 물질 및 C60-SAM 물질의 분자구조 및 수직 자기조립 메커니즘 모식도. (자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST, 총장직무대행 박래길)은 차세대에너지연구소 강홍규 박사, 이광희 소장과 영국 임페리얼컬리지 런던 공동연구팀이 스스로 얇은 층을 형성하는 물질을 활용해 유기 태양전지의 코팅 공정을 간소화하고 높은 효율과 긴 수명을 확보하는데 성공했다고 5월 30일 밝혔다.

유기 태양전지는 실리콘을 이용한 무기태양전지에 비해 저렴할 뿐만 아니라 가볍고 유연하며 투명하다는 장점이 있다. 특히 건물과 자동차의 창문이나 유리온실에 필름으로 부착하는 등 다양한 산업에 활용할 수 있어 꾸준한 연구가 진행되고 있다.

그중 역구조 유기 태양전지에 널리 사용되고 있는 산화아연은 빛의 투과율이 높고 전하 수송 능력이 뛰어나지만 자외선을 흡수하면 광촉매현상을 일으켜서 전기를 만드는 광활성층을 분해시킨다. 이 경우 빛을 흡수하는 능력이 떨어져 전기 생산 효율이 크게 저하된다.

연구팀은 단분자 물질인 ‘풀러렌 기반 자기조립 소재(이하 C60-SAM)’를 산화아연 위에 도포해 스스로 보호층을 형성하게 함으로써 산화아연의 안정성을 확보하고 전지의 효율과 수명을 개선했을 뿐만 아니라 코팅 공정을 간소화하는데도 성공했다.

C60-SAM은 산화아연과 만나면 표면에 얇은 층을 형성하는 점을 이용해 연구팀은 C60-SAM을 광활성 물질에 혼합해서 코팅하고 산화아연과의 반응을 통해 스스로 보호층을 형성하게 했다. C60-SAM의 카르복실산 말단기와 산화아연 표면의 하이드록실기 사이에서 축합반응이 일어나 그 사이에 보호층이 안정적으로 형성될 수 있었다. 특히 유기 태양전지의 효율이 10% 떨어지기까지 걸리는 시간이 기존 20여 분에서 8시간으로 약 24배 늘어나는 등 전지 수명이 대폭 개선됐다.

강홍규 박사는 “이번 연구는 역구조 유기 태양전지의 전자수송층과 광활성층 사이에서 발생하는 안정성 문제를 자기조립층을 이용한 보호막 형성이라는 새로운 방식으로 해결한 것에 의의가 있다”며 “유기 태양전지는 코팅 공정을 하나만 줄이더라도 양산성을 크게 개선할 수 있어 상용화에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 기후변화대응기술개발사업, 신진연구자지원사업 및 차세대에너지연구소 주관 지스트 개발과제 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 재료과학 분야의 저명한 국제학술지인 ‘Advanced Science’에 4월 25일 게재됐다.