도핑 공정시간 1분 수준으로 감소…연구결과 '네이처' 게재
광주과학기술원(GIST)은 공재민 차세대에너지연구소 연구교수가 이산화탄소를 이용해 페로브스카이트 태양전지 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 유기반도체 도핑 기법을 개발, 과학 분야 최고 권위지인 '네이처(Nature)'에 최근 게재했다고 6일 밝혔다.
2013년 GIST 신소재공학부를 졸업한 공 연구교수는 이광희 GIST 신소재공학부 교수팀, 미국 뉴욕대·예일대 연구팀과 공동으로 온실가스를 활용한 고성능 페로브스카이트 태양전지 제작 기술을 개발했다.
유기반도체는 유기발광다이오드(OLED)·염료감응형태양전지·유기태양전지 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 현재 25.5%의 높은 에너지 전환효율로 실리콘 태양전지를 대체할 신재생에너지원으로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지에도 유기반도체를 사용한다.
페로브스카이트 태양전지에서 정공 수송 소재로 주로 스파이로 구조체(Sprio-OMeTAD)인 유기반도체와 리튬비스마이드(LiTFSI)를 같이 혼합해 사용하고 있다. 정공 수송 소재가 일정 수준 이상의 정공 전달 능력을 갖게 하려면 공기노출을 통한 산소 도핑이 필수적이다. 이는 보통 수 시간에서 많게는 하루 정도의 공정 시간을 필요로 해 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
연구팀은 산소 대신 온실가스인 이산화탄소를 유기반도체 도핑에 활용, 이산화탄소 도핑 효율을 높이기 위해 정공 수송 소재와 리튬비스마이드가 혼합된 용액에 이산화탄소를 버블링 하는 기법을 도입했다. 자외선 빛 아래에서 용액 속으로 이산화탄소를 불어넣어 줌으로써 빠른 도핑을 유도하고 도핑 공정시간을 1분 수준으로 줄였다.
연구팀이 개발한 이산화탄소 버블링 기법은 기존 산소 도핑 기법 대비 공정시간을 100분의 1 수준으로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 단시간에 유기반도체인 정공 수송 소재 전기전도도를 100배까지 끌어올렸다. 연구 결과는 향후 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 기술로 활용할 수 있을 전망이다. 도핑에 사용한 이산화탄소는 탄산염 형태로 변환·저장되기 때문에 유기반도체 도핑과 동시에 지속 가능한 탄소원 포집 및 재활용 기술에 활용될 것으로 기대하고 있다.
공재민 연구교수는 “이산화탄소 도핑 기법을 통해 페로브스카이트에 사용되는 유기반도체 전도도를 단시간에 크게 향상시킬 수 있었다”며 “유기반도체가 도핑되는 과정을 잘 활용하면 유기반도체 도핑과 동시에 온실가스 저감 및 재활용에도 이용할 수 있을 것”이라고 말했다.
공 연구교수가 제1저자로 연구를 주도한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업 및 중점연구소사업(경상대) 등의 지원을 받아 수행됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
