전자빔 활용한 저온 열처리 기술 개발 적용
안정성 30% 증가…전지 효율 15.8% 달성
한국세라믹기술원(원장 정연길)은 허수원 연구팀이 전자빔 저온 열처리 공정을 이용해 에너지 변환효율과 장기 안정성을 높인 유기태양전지를 개발했다고 29일 밝혔다. 이번 연구개발은 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재 기술개발사업 국가핵심소재연구단(플랫폼형) 지원을 받았다.
태양전지는 '2050 탄소중립' 이산화탄소 배출량 감축 목표에 부합하는 에너지기술이다. 유기태양전지는 가볍고 형상에 제약이 없으며 대면적 제작도 용이해 다양한 모바일 기기는 물론 인체 부착형 센서 등에 사용할 수 있다.
하지만, 산소와 수분에 약한 유기물을 사용하기 때문에 기존 실리콘태양전지에 비해 효율, 장기 안정성이 떨어진다.
허 연구팀은 전자빔 처리기술로 이 같은 문제를 해결했다. 아르곤 플라즈마에서 전자만을 추출하고, 추출한 전자를 가속해 용액공정에 사용하는 산화아연(ZnO)층에 조사했다.
그 결과 150℃에서 2분 이내 공정으로 대면적 기판에 적용 가능한 고품질 산화아연 박막 제조에 성공했다. 기존 용액공정은 180℃에서 1시간 정도 열처리해야 가능했다.
또 산화아연박막에 탄소·수소 등 불순물이 크게 감소했고, 아연과 산소 결합도는 약 19% 향상됐다. 산화아연박막 밀도는 약 18%, 전자의 이동도는 1.47배 증가해 유기태양전지 효율을 15.8%까지 끌어 올릴 수 있었다.
고효율·고안정 유기태양전지는 별도 보호코팅 없이 30일 동안 사용하지 않아도 90.1% 잔존 효율을 나타냈다. 500분 연속 동작 후 초기효율 대비 85%를 유지해 기존 유기태양전지 대비 안정성이 30%나 높다.
허수원 연구원은 “저온공정으로 박막 물성을 향상시킬 수 있는 전자빔 처리기술을 유기태양전지에 적용한 첫 번째 사례”라며 “대면적 유연태양전지 상용화를 앞당길 수 있고, 다양한 반도체 소자에도 적용이 가능하다”고 말했다.
이번 성과는 태양전지 전문저널 '솔라 알알엘(Solar RRL)' 2023년 6월호 표지 논문으로 실렸다.
진주=임동식기자 dslim@etnews.com
