유기 태양전지 대량생산 및 수명향상 기술 개발

 

  

- KIST, 이황화몰리브덴 암석과 소독용 과산화수소를 섞어 고성능/고안정성을

  가진 부분산화 이황화몰리브덴 제조

- 공정개선으로 대량 생산 및 유기 전자소자 성능, 수명향상 가능성 열려

 

차세대 에너지변환장치인 태양전지 개발을 위해서는 높은 성능을 가진 안정적 전자 소자 개발이 필수적이다. 전기적, 기계적 성질이 뛰어나고 반도체 성질까지 보유해 전기 조절성이 뛰어난 이황화몰리브덴은 이런 이유로 차세대 전자소자로서 각광받고 있다. 특히, ‘부분산화 이황화몰리브덴’은 이황화몰리브덴 중에서도 안정성이 뛰어나다.

 

3차원의 울퉁불퉁한 암석형태로 존재하는 이황화몰리브덴을 전기적 성능을 가진 부분산화 이황화몰리브덴을 만들기 위해서는 2차원의 단일판 형태로 제작해야한다. 국내 연구진이 소독약으로 쓰이는 과산화수소를 사용하여 원자단위의 두께를 갖는 ‘부분산화 이황화몰리브덴’ 제조방법을 획기적으로 개선하여, 성능이 뛰어난 부분산화 이황화몰리브덴 대량생산의 길을 열었다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀이 쉽고 대량생산이 가능한 판상형 ‘부분산화 이황화몰리브덴’ 제조법을 개발하였다. 연구팀은 판상형 ‘부분산화 이황화몰리브덴’ 제조를 위해 이황화몰리브덴과 약하게 반응할 수 있는 과산화수소와의 단순 혼합 및 교반을 이용하여 용액공정이 가능한 부분산화 이황화몰리브덴 나노시트 제조 및 고농도 분산을 갖는 용액을 성공적으로 제조하였다.

 

자연에서 암석형태로 발견할 수 있는 이황화몰리브덴*은 다층구조(3차원)를 가지고 있다. 태양전지에 적합한 특성을 갖는 재료를 제조하기 위해서는 이황화몰리브덴을 얇은 판상형으로 제조하고, 그 위에 산화몰리브덴 입자를 올려야하는 복잡한 공정을 거치게 된다. 특히, 기존 제조법은 장시간의 초음파를 암석에 처리하여 제조하기 때문에 대량생산이 어렵고 이황화몰리브덴의 농도가 낮았다. 또한 박리되지 않은 물질은 재분리 과정을 통해 다시 분리해야하는 어려움이 있다. 이 때문에 고농도의 판상형 이황화몰리브덴 제조에 어려움이 있었다.

* 이황화몰리브덴 (molybdenum disulfide, MoS2): 이황화몰리브덴은 자연에서 발견되는 암석에서 얻어질 수 있다. 그래핀과 같이 전기적, 기계적 성질이 뛰어나며 실리콘을 대체할 수 있는 차세대 나노소재로서 각광을 받고 있다

 

연구팀은 3차원 이황화몰리브덴을 과산화수소에 단순 혼합하여 판상형 구조를 갖는 고농도의 액체상태의 ‘부분산화 이황화몰리브덴’ 제조에 성공하였다. 이렇게 제조된 용액을 기판에 스핀 코팅(spin coating)* 하여 판상형 부분산화 이황화몰리브덴 필름을 손쉽게 제조하였다.

*스핀 코팅 : 용액을 회전시켜 골고루 기판에 코팅시키는 방법으로 균일한 필름을 제조할수 있는 장점이 있다.

 

개발된 제조법은 손쉬운 방법으로 기존 공정대비 공정을 2단계 줄였을뿐 아니라, 고농도의 우수하고 안정한 ‘부분산화 이황화몰리브덴’을 제조할 수 있게 되어 대량 생산의 길을 열었다. 이러한 소재의 특성을 이용하여 현재 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 유기태양전지에 이용한 결과, 기존 태양전지가 4일 정도 후 효율이 0%로 떨어지는 데 비해, 16일이 지나도 20%의 효율만 감소한다는 것을 확인할 수 있었다.

 

이번 연구 성과는 나노기술 분야의 국제학술지 스몰(small)에 "Exfoliated and partially oxidized MoS2 nanosheets by one-pot reaction for efficient and stable organic solar cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 6월 25일자 권두 표지논문으로 선정되었다. <그림 1>

 

KIST 조한익 박사는 “개발된 나노소재 박리방법은 값싼 원료를 이용하며 손쉽고 대량생산이 용이하여, 차후 이차원 나노소재 제조의 상업화에 쉽게 이용할 수 있을 것으로 보인다”고 말했다.

 

이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업으로 수행되었다.

 

 

○ 연구진

 

  KIST 조한익 박사

 

○ 그림자료

 

 

<그림1> 유기태양전지 이용 결과

정공수송층*에 응용한 결과, 현재 널리 사용되고 있는 피닷-피에스에스(PEDOT:PSS)*보다 소자의 수명 및 성능을 향상시킨다는 결과를 얻었다.

 

* 유기태양전지 (organic solar cells): 일반적으로 무기물 태양전지와 달리 유기태양전지는 빛을 받아 전자와 정공을 형성하는 물질이 전도성고분자ㆍ플러렌 단분자 혼합층으로 구성되어 있다. 실리콘 태양전지에 비해 가볍고 굽힘 가능하며 낮은 가격에 소자를 생산할 수 있다는 장점이 있다.

 

* 정공수송층 (hole transport layer): 유기 태양전지의 광 활성층은 빛을 받게 되면 전공과 전자를 형성하는 물질로 이루어져 있으며, 이렇게 형성된 정공과 전자는 각각 양극과 음극으로 재결합 없이 효과적으로 이동하여야 한다. 특히 전자와의 재결합 없이 정공의 효과적인 이동을 돕는 층을 정공 수송층이라고 한다.

 

* 피닷-피에스에스 (PEDOT:PSS): PEDOT:PSS는 유기전자소자에서 가장 널리 사용되는 정공전달물질로서 수용액상에 분산된 상태로 존재한다. 초기 특성은 우수하나 PSS의 높은 산성으로 인하여 매우 낮은 소자 안정성을 보인다.

 

<그림2> 논문이 게재된 Small지 2014. 6. 26일자 권두 표지 이미지. 과산화수소를 이용하여 박리된 2차원 부분산화 이황화몰리브덴 용액(갈색)을 기판위에 코팅하면 전자소자에 적용할 수 있음을 나타낸다.