- 고분자 신소재를 광활성층으로 사용, 고효율 유연 유기태양전지 구현

- 향후, 필름 형태의 건물일체형 태양광 모듈(BIPV)에 적용 기대

미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지는 가볍고 유연한 태양전지 소자 기술을 개발하는 것이 하나의 핵심이며, 이를 위해서는 플라스틱 기판 위에 저온 프린팅 공정을 이용한 태양전지 제작이 차세대 태양전지를 선도해나갈 주요기술로 주목을 받고 있다. 최근 국내연구진이 저온 프린팅 공정용 고분자를 이용한 플라스틱 기판 위에 고효율 플렉시블 유기 태양전지를 개발했다고 밝혔다. 
 
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사(책임연구원)팀은 저온 프린팅 공정이 가능한 고성능 고분자 신소재를 개발하였고, 이를 태양전지의 광활성층* 소재로 사용하여 플라스틱(PET) 기판 위에 고효율의 유연한 유기태양전지를 구현하는데 성공하였다고 밝혔다.
*광활성층(photoactive layer) : 외부로부터 태양빛이 태양전지의 내부로 흡수되면 빛 에너지에 의해 태양전지 내부에서 전자(electron)와 정공(hole)의 쌍이 생성됨으로써 전력을 생산하는 부분

유기태양전지는 프린팅 방식을 이용한 태양전지들 중 가장 대표적인 기술이다. 또한 고분자 소재의 특성은 가볍고 유연한 태양전지 구현에 가장 적합한 기술 방식이라고 할 수 있다. 플라스틱 기판 위에 유기태양전지를 제작하기 위한 조건으로 100 oC 근처 혹은 그 이하의 상대적인 저온에서 모든 공정이 이루어져야 한다. 하지만 실제로 태양전지에 광활성층이 높은 전기적 특성과 광전 변환 특성을 확보하기 위해서는 고분자 소재의 높은 결정 특성과 고온의 열처리가 필요하다는 단점이 있었다.

KIST 손해정 박사팀은 기존 고분자 소재를 대체할 수 있는 신규 전도성 고분자를 개발하여 태양전지 광활성층 소재로 이용하였다. 이 고분자는 기존 고결정성 고분자에 비해 결정성은 낮지만 오히려 광활성층 내 전하의 생성과 운반에 유리한 특성을 지닌다. 그렇기 때문에 기존 고분자가 고결정성을 갖기 위해 160 oC 이상의 높은 온도에서 열처리 공정이 필요한 반면, 신규 고분자의 경우 이러한 열처리 공정을 거치지않아도 높은 특성을 보이는 것으로 나타났다.

KIST 연구진은 고결정성 고분자에서 화학구조의 규칙성을 낮춰 새롭게 합성했다. 이 고분자 신소재는 고분자가 광활성층 내 소재(n-형)와 잘 섞이게 되고, 이는 고분자가 우수한 전기적 특성을 가지게 하는 것으로 나타났다. 연구진은 두 경우의 플라스틱 기판 위에 태양전지를 제작했을 때, 기존 고분자의 경우 태양전지 효율 저하를 보였으나, 신규 고분자의 경우 열처리가 필요 없으며 상대적으로 유리 기판에 위에 제작된 소자와 비슷한 효율을 유지하였다. 연구진이 개발한 신규 고분자를 이용한 플라스틱 기반 유연 유기태양전지는 기존 고분자를 이용한 소자에 비해서 40% 가량의 효율 향상을 보였으며, 최고 10.02%까지의 높은 광전변환효율을 기록하였다. 이러한 성능은 플라스틱 기반 유연 유기태양전지 소자 중 최고 수준의 결과이다.  

KIST 손해정 박사는 “이번 연구를 통해 개발한 유기태양전지 고분자 소재는 태양전지 공정 과정을 획기적으로 개선하여 플라스틱 기반의 고효율 유연 태양전지 구현에 중요한 기여를 한 연구”라고 말하며, “향후 유기태양전지의 상용화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. 또한 손해정 박사팀은 최근 개발된 신규 고분자의 후속 연구로 프린팅 공정을 이용한 유연 유기태양전지 모듈을 제작하고 있으며, 향후 건물 창호나 아웃도어 제품에 적용이 가능할 것이라고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 KIST ‘Young Fellow’ 프로그램의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF : 21.950, JCR 분야 상위 1.712%) 최신호에 게재되었으며, 표지 논문(Inside cover)으로 선정, 발행될 예정이다.

 * (논문명) ‘Low-Temperature Processable High Performance D-A Type Random
   Copolymers for Nonfullerene Polymer Solar Cells and Application to Flexible Devices’
     - (제1저자) 한국과학기술연구원 김지영 학생연구원(석사 과정)
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 손해정 박사(책임연구원)

<그림설명>

<그림 1> Adv. Energy. Mater. Inside Cover 이미지