현재 웨어러블, 플렉시블 전자소자는 미래를 선도해갈 차세대 전자소자로 두각을 나타내고 있으며 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 여러 전자소자들 중 플렉시블 태양전지는 미래 웨어러블 기기 상용화의 핵심 기술 중 하나로 그 중요성을 인정받고 있다. 최근 국내 연구진이 높은 성능과 동시에 높은 안정성을 갖는 플렉시블 태양전지를 개발하였다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정, 고민재 박사팀은 기존의 태양전지 내의 핵심부분 중 하나인 정공수송층*으로 널리 이용되던 물질(PEDOT:PSS**)을 대체할 수 있는 저온공정이 가능한 신소재 고분자 물질을 개발하였고 이를 사용하여 고성능·고안정성 플렉시블 페로브스카이트*** 태양전지를 개발하였다고 밝혔다.

근래 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 분야는 급격하게 발전하여 향후 실리콘 태양전지와 경쟁을 할 수 있을 것이라 기대를 모으고 있다. 플렉시블 태양전지는 플라스틱 유연기판을 사용하기 때문에 150도 이하의 저온 공정이 필수적인데, 본 연구팀이 개발한 신규 고분자 물질은 저온에서 용액공정으로 제작이 가능한 플렉시블 태양전지에 더 적합한 물질이라고 볼 수 있다. 

기존의 페로브스카이트 태양전지는 전극 사이의 경계면 층에 사용되는 물질들이 고온공정이 요구되어 플렉서블 소자 구현에 문제가 있었다. 최근 이를 극복하기 위하여 저온공정이 가능한 소자들이 제안되고 있으나 그 성능과 안정성 면에서 굉장히 제한적인 모습을 보이고 있었다. 가장 문제가 되고 있는 부분은 정공수송층으로 널리 쓰이는 PEDOT:PSS**이다. 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)는 상업적으로 구입이 가능하여 널리 이용되고 있었으나 강한 산성을 지니고 있어 인접한 층의 부식을 가속화 시키고 페로브스카이트와 적합하지 않아 많은 에너지 손실을 야기했다. 

KIST 손해정, 고민재 공동연구팀은 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 대체하여 라는 신규 고분자를 개발하여 정공수송층으로 사용하였다. 이 고분자는 물 혹은 물/알콜 혼합용액에서 높은 용해도를 보여 저온에서 손쉽게 용액공정으로 정공수송층 제작이 가능하다. 또한 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것을 실험을 통해 확인하였고, 에너지 손실을 줄일 수 있음을 입증하였다. 이를 이용하여 제작된 페로브스카이트 플렉시블 태양전지는 최고 14.7%까지의 높은 전력변환효율을 기록하였다. 기존 물질을 이용한 소자가 8.4%의 전력변환을 보였다는 점을 감안하였을 때 이러한 효율은 물질의 우수함을 입증하는 결과라 할 수 있다.

 또한, 물질은 기존과 달리 중성의 성질임을 확인하였으며, 이는 태양전지 소자의 안정성을 향상시켜 대기 중에서 장기안정성이 3~4배 향상된 결과를 도출하였다.

 

연구책임자인 손해정 박사는 “이번에 개발된 신규 전도성 고분자 소재는 고효율 플렉서블 유-무기 페로브스카이트 태양전지의 성능 향상에 지대한 기여를 하였고, 향후 태양전지 외에 광센서 등 유연 인쇄전자 소자에 중요 부품으로 활용될 것으로 기대된다” 라고 밝혔다. 

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 7월 5일자에 표지논문으로 게재되었다.