3차원 투과전자현미경를 통해 분석한 광활성층 유기반도체 박막 나노구조 이미지. 끓는점이 다른 두 용매를 혼합하여 증발 거동을 제어함으로써 상호교차 네트워크 형태의 광활성층 나노구조를 이루어 광전효율을 획기적으로 증가시켰다.

국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받고 있는 유기태양전지의 박막 형성 원리를 최초로 규명함으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는 기술을 개발하였다.

이 기술은 기존의 복잡한 공정을 획기적으로 단순화했으며, 신문처럼 인쇄해 만들 수 있고 종이처럼 유연한 유기태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업인 “나노기반소프트일렉트로닉스연구단”의 조길원 교수 (포스텍 화학공학과)와 박사과정 김민 연구원이 진행하였으며, 연구결과는 재료과학분야의 세계적 학술지인 Advanced Energy Materials 최신호 (1월 28일자) 표지논문 (Cover of the Issues)으로 게재되었다.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201470007/abstract (표지) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201300612/abstract (논문)

유기태양전지는 작은 비용으로 대면적 제작이 가능하며 유연성이 좋아 실리콘이나 무기태양전지의 뒤를 이을 차세대 태양전지가 될 것으로 기대를 모았지만, 태양빛을 전기에너지로 변환시키는 광전효율이 낮아 상용화가 잘 이루어지지 않고 있는 실정이다.

유기태양전지는 100 나노미터(nm) 정도의 박막으로 되어 있으며, 전기 에너지를 효과적으로 생산하기 위해서는 박막의 내부 나노구조를 잘 제어해야 한다. 그러나 박막의 두께가 너무 얇고 박막 형성 과정이 복잡해 그 구조를 분석하고 제어하기 어려웠다.

연구팀은 3차원 투과전자현미경을 이용하여 유기태양전지 박막의 나노구조를 3차원으로 분석하고 박막 형성 원리를 최초로 밝혔으며, 이를 토대로 광전효율이 우수한 박막의 나노구조를 제시하였다. 또한 이를 이용하여 기존 태양전지에 비해 20% 이상 효율을 증가시킨 태양전지의 개발에도 성공했다.

박막을 형성할 때 사용하는 용매의 증발 거동에 따라 박막의 나노구조가 크게 달라진다는 사실을 확인한 연구팀은 끓는점이 다른 두 용매를 혼합해 증발속도를 조절하여 광전효율이 높은 광활성층 나노구조를 만들어냈다.

이 기술을 이용하면 기존의 복잡한 박막 형성 공정을 한 번의 용액 코팅으로 단순화 할 수 있다. 또한, 대면적 유기태양전지 제조에 사용되는 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있어 고효율의 유연하고 가벼운 차세대 태양전지의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 “이 연구는 광활성층 형성 원리를 규명하고 우수한 광전효율을 얻기 위한 박막의 나노구조를 제시한 것으로, 이를 바탕으로 대면적화에 용이한 인쇄 공정 기술 개발이 가능하여 향후 인쇄용 고효율 유기태양전지 뿐만 아니라 유기 반도체 기반의 인쇄용 유연 전자소자 상용화에 기여할 것”이라고 연구의의를 밝혔다.