차세대 태양전지로 주목받는 유기태양전지의 박막 형성 원리를 국내 연구진이 최초로 규명했다. 나아가 효율성이 높고 신문처럼 인쇄해서 만들 수 있는 유기태양전지 제조 기술을 제시했다.
6일 미래창조과학부에 따르면 미래부 글로벌프런티어 사업인 `나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단`의 조길원 포스텍 화학공학과 교수와 박사과정 김민 연구원은 유기태양전지 박막의 나노구조를 3차원으로 분석하고 박막 형성 원리를 밝혀냈다. 연구팀이 3차원 투과전자현미경을 이용해 도출한 이번 연구 성과는 재료과학분야 세계적 학술지인 `어드밴스트 에너지 머티리얼스`(Advanced Energy Materials) 최신호(1월28일자)에 표지논문으로 실렸다.
유기태양전지는 적은 비용을 들여 대면적으로 제작할 수 있고, 유연성이 좋아 실리콘이나 무기태양전지에 이은 차세대 태양전지로 기대를 받고 있다. 그러나 태양빛을 전기에너지로 바꾸는 광전효율이 낮아 상용화가 이뤄지지 않고 있다.
유기태양전지는 100나노미터(㎚) 정도의 박막으로 돼 있다. 전기 에너지를 효과적으로 생산하려면 이 박막의 나노구조를 잘 제어해야 한다. 그러나 박막의 두께가 너무 얇고 박막 형성 과정이 복잡해 구조를 분석하고 제어하기는 어렵다.
연구팀은 박막을 형성할 때 사용하는 용매의 증발 과정에 따라 박막의 나노구조가 크게 달라진다는 사실을 확인했다. 즉 유기태양전지를 구성하는 물질을 녹이는 용매의 용해도가 달라지면 박막의 나노구조도 달라진다는 것을 알아냈다.
연구팀은 끓는점이 다른 두 용매를 혼합해 증발 속도를 조절, 광전효율을 극대화한 광활성층 나노구조를 만들어냈다. 이 기술을 이용하면 복잡한 박막 형성 공정을 한 번의 용액 코팅으로 단순화할 수 있다. 연구팀은 이 기술을 이용해 기존 태양전지보다 효율을 20% 이상 증가시킨 태양전지도 개발했다.
이번 연구 성과는 앞으로 인쇄용 고효율 유기태양전지와 유기 반도체에 기반을 둔 인쇄용 유연 전자소자 등을 상용화하는 데 기여할 것이라고 연구팀은 설명했다.
류경동기자 ninano@etnews.com