고효율 고분자 태양전지 기술 개발

국내 연구진이 고분자 태양전지의 낮은 효율과 안정성 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발했다. 차세대 태양전지로 각광받는 고분자 태양전지 상용화가 앞당겨질 전망이다.

미래창조과학부는 한국연구재단과 함께 추진한 중견연구자지원사업 지원으로 수행된 송명훈 울산과학기술대학교 교수 연구팀의 이 같은 연구가 재료응용분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈지에 게재됐다고 20일 밝혔다.

고분자 태양전지는 실리콘 무기물 태양전지보다 효율이 낮지만 대면적 제작이 비교적 쉽고 유연하게 만들 수 있다. 다만 기존 상용 실리콘 태양전지와 비교해 소자 안정성이 떨어지고 광전변환효율이 낮아 상용화에 어려움이 있다.

연구팀은 나뭇잎 형태의 나노구조를 갖는 산화아연 전자수송층 위에 극성용매를 처리해 고효율의 고분자 태양전지를 개발했다.

전자수송층은 역구조 고분자 태양전지의 ITO, 금속산화물, 활성층, MoO3, Au 또는 Ag로 이뤄지는 구조에서 ITO 위에 코팅되는 산화아연과 같은 금속산화물층이다. 활성층에서 생성된 전하 가운데 전자가 활성층에서 ITO 쪽으로 원활하게 추출될 수 있도록 도움을 준다.

연구팀은 구체적으로 극성용매 처리를 통해 고분자 태양전지 효율을 기존 극성용매를 처리하지 않은 역구조의 유기 태양전지(6.71%) 대비 30% 향상된 8.69%까지 높였다. 통상 상용화를 위한 광전변환효율 10% 이상에 근접한 것.

연구에 사용된 역구조 고분자 태양전지는 금이나 은 같은 공기 중 안정성이 높은 특성을 갖는 금속을 양극으로 사용해 소자의 안정성이 높은 반면 효율이 낮다는 것이 단점이다. 이에 박막물질 코팅으로 전자수송층과 광활성층 사이의 높은 에너지 장벽을 낮춰 전자의 수송을 도와 문제를 극복했다.

특히 합성물질 대신 에탄올이나 메탄올 같이 흔히 사용되는 극성용매만으로 효율을 높였다.