KIST, 유기태양전지의 ‘광활성층의 균일도’ 규명

삼성분계 광활성층을 도입한 고효율 유기태양전지 모듈 사진(왼쪽), 삼성분계 광활성층의 균일성(가운데), 모듈 성능(오른쪽). (자료제공: KIST)

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀이 유기태양전지가 단위소자에서 모듈로 대면적화하는 과정에서 발생하는 주요 성능감소 요인을 규명하고, 광활성층 반도체 소재의 삼성분계 조합을 개발해 재현 가능한 대면적의 고효율 유기태양전지를 구현하는 데 성공했다고 9월 27일 밝혔다.
연구팀은 유기태양전지 내 광활성층의 형태에 주목했다. 광활성층은 일반적으로 p형과 n형의 반도체 소재로 구성되며, 인쇄방식으로 쉽게 제작할 수 있어 산업적 활용이 용이하다. 하지만 광활성층 형성공정 중 용매증발 과정에서 p형 반도체의 뭉침(p-형 고분자)이 생겨 불균일한 도메인을 형성할 경우, 결과적으로 p-n 접합의 형태가 필름의 위치에 따라 달라지게 되어 태양전지의 효율이 저하되는 결과를 가져왔다.
연구진은 p-형고분자에 유기적 상호작용을 할 수 있는 n-형 고분자를 첨가해 광활성층을 형성하게 되면 n-형 고분자가 p형 고분자 반도체와 합금의 형태로 복합체를 이루게 되고, p형 고분자 반도체의 도메인 크기를 넓은 면적에 매우 규칙적으로 제어할 수 있음을 최초로 규명하였다. 이러한 방식으로 나노미터 수준의 극소한 영역에서부터 센티미터 수준의 비교적 넓은 영역까지 균일한 삼성분계 광활성층을 구현할 수 있고, 광활성층의 나노구조의 높은 균일도가 소면적 셀에서 대면적 모듈 제작 시 효율 손실을 최소화할 수 있는 핵심 요인임을 밝혀냈다. 연구진은 삼성분계 광활성층을 사용해 58.5㎠ 면적에서 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성했다.
KIST 손해정 박사는 “인쇄 공정으로 제작한 유기 태양전지를 대규모 모듈화할 때 성능이 감소되는 주요요인을 밝혀 유기태양전지 상용화에 한 걸음 더 가까워졌다”고 말하며, “이번 연구과정에서 만든 58.5㎠의 대면적 모듈은 그 자체로도 획기적인 결과지만, 추가적인 스케일업을 통해 실제 건물 외벽이나 자동차 등에 적용해 전기를 생산하는 단계까지 후속 연구개발을 진행해보고 싶다”고 포부를 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 연구재단 소재혁신선도사업 및 나노미래소재원천기술개발사업으로 수행됐다. 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Joule’ 에 온라인 게재됐다.