태양전지 가격경쟁력은 전지를 구성하는 소재의 가격과 태양전지 효율에 의해서 결정된다. 국내 연구진이 현재 태양전지 가격에 큰 영향을 미치는 고가의 투명전도성 전극을 전혀 사용하지 않으면서도 고효율 달성이 가능한 신 구조 플렉서블 태양전지 원천 기술을 개발하였다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀은 고온에서 열처리 한 무기 광전극을 떼어내어 플라스틱처럼 잘 휘어지는 기판 (플라스틱, 종이, 섬유) 등에 전사하여 붙이는 방식을 이용한 신 구조 고효율의 염료감응 플렉서블 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. 

태양전지나 디스플레이 등의 전자소자는 소자의 효율 향상을 위해 가시광선 영역에서 85% 이상의 높은 광투과도와 전기 전도도를 요구하는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전도성 전극(Transparent conducting oxide)이 필요하다. 하지만, ITO의 주원료인 인듐은 희귀 금속으로 가격이 비싸, 차세대 태양전지인 염료감응 태양전지의 재료비 중 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 

고효율의 태양전지를 제작하기 위해서는 이러한 값비싼 투명전도성 전극외에도 무기 광전극을 고온에서 열처리하는 과정이 반드시 필요한데, 이는 무기 광전극 내부가 단단히 연결이 되고 기판과의 접착력이 좋아져서 소자저항이 작아지기 때문이다. 

플렉서블 태양전지를 만들기 위해 기존에는 유연하지만 열에 약한 플라스틱 기판을 활용하기 위해 효율이 낮은 저온 공정을 사용했다. 또한 투명전도성 전극을 사용하는 경우, 태양전지를 휘었을 경우 ITO가 깨져 전기적 특성이 감소하는 등의 단점이 있었다. 

연구팀이 개발한 제작방법은 유리기판 위에 고온에서 열처리한 TiO2(산화타이타늄) 전극을 형성시킨 후, 플렉서블한 기판에 옮겨 붙이는 전사 방법을 적용하여 플라스틱 기판에서 고효율의 태양전지를 구현하였다. 전사방법을 사용하면 고온 열처리한 저항이 낮은 광전극을 다양한 플렉서블한 기판에 옮겨 붙일 수 있기 때문에 고효율 달성이 용이하다. 

후면전극 역시 인듐보다 상대적으로 가격이 저렴한 타이타늄 질화물(nitride)로 만들었고, 상대전극도 투명 전도성 물질을 사용하지 않고 탄소와 백금 복합체를 사용하여 플라스틱 전극 위에 제작하였다. 이렇게 제작된 염료감응 태양전지는 기존 전지에 비해 소재가격은 50% 이하로, 전체 태양전지 가격은 30%이하로 가격이 낮아지는 효과를 보였다. 

또한 개발한 전사법은 휘어짐에 강한 타이타늄 계열의 광전극을 고분자 필름위에 붙여, 태양전지를 휘었을 경우에도 기판의 손상과 효율의 감소 없이 특성이 좋은 태양전지를 제작할 수 있었다. 이렇게 개발한 태양전지는 투명 전도성 물질을 전혀 사용하지 않음에도 불구하고, 보고된 염료감응 플렉서블 태양전지 중 최고 수준인 8.10%의 광변환 효율을 기록하였다. 

연구책임자인 고민재 박사는 “개발한 태양전지는 기판의 종류에 상관없이 제작할 수 있고, 잘 휘어지면서도 효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대 전자 소자 등 다양한 분야의 핵심소재로 활용될 수 있을 것으로 기대된다” 며 “연구팀에서 개발한 전사법을 이용하면 태양전지 이외에도 다양한 전자 기기 및 전기화학 기기 등 전자소자를 사용하는 응용분야에서 직물이나 종이, 플라스틱, 금속 등 휘어질 수 있는 다양한 기판 위에 제작할 수 있어 광범위한 응용을 기대할 수 있다”고 밝혔다.  

본 연구는 KIST 주요연구사업인 영 펠로우 연구사업과 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었다. 연구결과는 나노 분야의 전문학술지인 ACS Nano 4월 28일자에 게재되었으며, 국내 및 해외 특허를 출원하였다. 이번 성과로 지난 '15.4.22(수) 정부가 발표한 "기후변화 대응을 위한 에너지 신산업 및 핵심기술개발전략"에서 제시한 차세대 태양전지 개발에도 더욱 탄력이 붙을 것으로 기대된다.

<그림 1>  투명 전도성 전극이 없는 고효율 초저가 플렉서블 태양전지 / 전지 사이즈 2cm X 2cm의 태양전지 전류전압 곡선. (대면적인 10cm X 10cm에서도 가능)

<그림 2> 

(a) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 광전극을 OHP 필름 위에 적용 

(b) 전사법을 이용하여 염료가 흡착된 고온소성한 태양전지 광전극을 OHP 필름 위에 적용

(c) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 광전극을 염료 흡착하여 극세사(천) 위에 적용

(d) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극을 OHP 필름 위에 적용

(e) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극의 전도성을 보기 위해 밴딩 후에 LED연결

(f) 전사법을 이용하여 고온소성한 태양전지 상대전극을 극세사(천) 위에 적용

(g) 고온소성한 태양전지 상대전극을 전사법을 극세사(천) 적용 (접힌 후에도 전도성을 가지고 있음)

(h) 전사법을 이용하여 고온소성한 Ag 전극을 전사하여 연필에 감싼 뒤에도 좋은 전도도를 가짐을 확인하였음.

<그림 3> 

(a) 전사법을 이용하여 태양전지 광전극을 만드는 방법 

(b) 전사법을 이용하여 태양전지 상대전극을 만드는 방법