김동유 교수팀, 유기활성용액내 소량 물 도입 친환경 공법 개발
롤-투-롤 공정 대면적 태양전지 제작·실용화 원천기술 확보 기여
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 김동유 신소재공학부 교수팀이 소량의 물을 이용해 대면적 유기태양전지 제작 과정에서 용액 분산 상태를 쉽게 제어해 효율과 안정성을 향상시킬 수 있는 친환경 공법을 개발했다고 2일 밝혔다.
유기태양전지는 태양광을 흡수하는 광활성층에 유기 반도체 물질을 사용해 제작하는 태양전지를 말한다. 광활성층 내 전하를 생성해 중간층 및 전극을 통해 전류를 생산한다. 무기태양전지에 비해 저온 용액 공정이 쉽고 가벼우면서도 유연하며 투명하다. 최근 소면적 유기태양전지에서 20%에 가까운 높은 광전효율이 보고되는 등 실용화 연구가 빠르게 이뤄지고 있다.
유기태양전지 광전환 효율 및 소자 안정성을 높이기 위해 광활성층을 이루는 물질인 도너(Donor)-억셉터(Acceptor) 분산 상태를 제어해 최적의 박막 형태를 구현하는 것이 매우 중요하다.
특히 도너-억셉터 사이 경계면에서 전류로 전환 가능한 전자와 정공 쌍으로 이뤄진 엑시톤을 안정적으로 발생시키거나 박막 형태를 최적화하기 위한 첨가제 도입 등의 연구가 활발하다. 이러한 방법은 대부분 소면적 유기태양전지에 적용한 것으로 대면적 유기태양전지 제작을 위한 인쇄 공정에 동일하게 적용했을 때 큰 효과를 발휘하지 못한다. 열·빛·공기에 노출된 외부환경에 영향을 받아 효과를 지속하지 못하는 한계도 갖고 있다.
김 교수팀은 대면적 유기태양전지 제작 및 준비과정에서 대기 시간이 발생하는 도너-억셉터 물질의 과한 응집을 억제하고 최적의 활성층 박막을 얻기 위해 소량의 물을 이용한 처리 공법을 개발했다. 0~20마이크로리터(㎕) 물을 이용한 수처리 공법은 이중층으로 형성된 물이 유기용매 내 섞이지 않은 작은 물방울 상태로 침투하며 물방울 주변에 작은 소용돌이를 유발해 유기용매 내 도너-억셉터 응집을 억제하는 역할을 한다.
연구팀은 대면적 유기태양전지 및 모듈을 제작하기 위해 용액 주입과 인쇄 속도 등에 따라 다양한 형태·두께로 박막 특성을 제어할 수 있는 '슬롯 다이 프린팅 방법'으로 소면적 유기태양전지(0.1㎠)는 최고 13.06%, 대면적 유기태양전지 모듈(10㎠)은 최고 11.92% 효율을 달성했다.
이번 연구는 인쇄 공정을 포함한 유기태양전지 제작 과정에서 용액 내 분산 상태를 쉽게 제어할 수 있는 기술로 고효율·고안정성 대면적 유기태양전지 대량생산 및 실용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 예상된다.
김동유 교수는 “수처리 과정 내 발생하는 미세 소용돌이를 이용해 용액과 필름 상태의 도너-억셉터 분산 상태 모두를 자유자재로 제어할 수 있게 된 것이 이번 연구 성과의 가장 큰 의의”라며 “향후 롤-투-롤 공정이 도입된 대면적 태양전지 제작과 실용화를 위한 원천기술을 확보하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
김 교수(교신저자)가 주도하고, 한나라 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업(도약연구, 후속연구지원) 및 지스트 차세대에너지연구소(RISE) 고유과제인 '생활밀착형 유연·반투명 태양전지 개발 과제' 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 나노 및 재료 분야의 권위적인 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'에 프론트 표지 논문으로 선정돼 온라인으로 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
