전자빔을 활용한 고효율·고안정성 유기 태양전지 개발

Solar RRL의 표지 논문 사진

한국세라믹기술원(원장 정연길)은 나노복합소재센터 허수원 박사팀이 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재 기술개발사업 국가핵심소재연구단(플랫폼형)의 지원을 통해 전자빔을 활용한 저온 열처리 공정을 적용하여 에너지 변환효율 및 장기 안정성이 향상된 유기 태양전지를 개발했다고 6월 29일 밝혔다.

무한한 에너지원인 태양광을 전기로 만드는 태양전지는 화석연료 대비 kWh당 생성되는 이산화탄소를 크게 줄일 수 있는 점에서 2050 탄소중립의 이산화탄소 배출량 감축목표에 부합하는 에너지기술로 각광받고 있다.

특히, 유기 태양전지는 가볍고, 형상의 제약이 없으며, 용액공정으로 제작이 가능하여 대면적으로 제작이 용이하고 다양한 모바일 장치 및 인체 부착형 센서 등의 전원으로 적용이 가능하다. 하지만, 산소와 수분에 약점을 보이는 유기물의 사용으로 인해 기존의 실리콘 태양전지에 비해 효율 및 장기 안정성이 떨어지는 단점을 가진다.

연구팀은 효율을 향상시키면서도 전력을 발생시키는 동안 안정한 유기 태양전지를 개발하기 위해 전자빔 처리기술을 도입하였다. 아르곤 분위기에서 발생시킨 플라즈마에 존재하는 전자만을 추출하고 이들 전자를 가속하여 용액공정으로 도입된 산화아연(ZnO)층에 조사하였다.

기존 용액공정으로 도입된 ZnO층은 180℃에서 1시간 정도 열처리를 통해 얻을 수 있었지만, 전자빔 처리는 150℃, 2분 이내의 처리로도 고품질의 박막을 얻을 수 있어 대면적 유연기판에 적용이 가능하다. 그 결과, ZnO층에 존재하는 탄소·수소 등의 불순물들이 크게 감소하였으며, 아연(Zn)과 산소(O)의 결합도는 약 19% 향상됐다. 또한, ZnO층의 박막밀도가 약 18% 높아지고 전자의 이동도가 1.47배 증가되어 유기태양전지의 효율을 15.8%로 끌어 올렸다.

개발된 기술이 적용된 태양전지는 별도의 보호코팅 없이 30일간 미사용해도 90.1%의 잔존 효율을 보였으며, 500분 동안 연속 동작 후에도 초기효율 대비 85%를 보여 기존의 유기 태양전지 대비 안정성이 30% 증가됐다.

허수원 박사는 “전자빔 처리기술은 저온공정을 통해 박막의 물성을 향상시킬 수 있는 핵심공정으로 유기 태양전지에 적용된 첫 번째 사례이다”며, “향후 대면적의 유연한 태양전지 상용화를 앞당길 수 있으며, 다양한 반도체 소자들에 적용이 가능하다”고 말했다.

이번 연구 성과는 세계적인 태양전지 전문 저널인 ’Solar RRL’의 2023년 6월호 표지 논문으로 게재됐다.