[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국과학기술연구원(KIST)은 광전하이브리드연구센터 손해정 연구팀이 용액 공정 과정에서 유기태양전지 소재의 작은 면적과 큰 면적을 기반으로 필름 형성 기작의 차이점을 규명하고 이를 공정 기술상의 해결을 통해 고효율 유기태양전지 대면적화 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
미래 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지 개발에 있어 한 가지 중요 사항은 공정 단순화를 통해 태양전지의 가격 인하와 대량생산을 가능하게 하는 것이다.
또 어떤 공간에서든 간단한 색칠 정도만으로 누구나 태양전지를 쉽게 제작할 수 있어서 태양전지를 통한 전기에너지 생산의 보급 확대와 접근성을 넓히는 것이 관건이다.
특히 페인트 방식의 칠을 통해 태양전지 제작이 가능하다면 건물 외벽이나 자동차 등에 태양전지 설치를 위한 공간 제약이 사라질 수 있으며 저가 페인트 공급을 통해 에너지 빈곤층에 친환경에너지 공급이 확대되고 태양전지 패널의 유지 보수 및 폐기의 고비용 문제가 해결될 수 있다.
이러한 기술을 가능하게 하는 대표적 기술 후보군으로는 용액공정으로 태양전지 제작이 가능한 유기태양전지, 페로브스카이트 태양전지, 양자점 태양전지를 예로들 수 있다.
유기태양전지(Organic Photovoltaics)는 탄소 기반의 전도성 광 흡수 유기재료를 사용하여 만든 태양전지로 친환경 소재인 유기물의 다양한 개발을 통해 태양전지의 성능과 응용성을 확대할 수 있는 장점이 있고 페로브스카이트 태양전지 등은 독성 납의 사용으로 인해서 건물 등 사람이 밀집한 공간에 적용이 제한적이라는 문제점이 있다.
세계적으로 보고되고 있는 대부분의 고효율 용액공정 태양전지는 실험실 수준에서 연구로 전기를 생산하는 활성 영역(0.1 cm2이하)이 매우 작은 기술로 실질적으로 전력생산이 가능한 대면적에 적용 시에는 재현성이 낮아 공정상에 문제점으로 태양전지 상용화에 걸림돌이 되고 있다.
이는 현재 많은 태양전지 소재들이 실험실 수준의 작은 면적 공정용인 스핀코팅에는 적합하나 실제 산업용으로 쓰이는 대면적용 공정방식에는 적합하지 않은 경우가 많기 때문이다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 활성 면적 크기에 상관없이 넓은 면적에서도 높은 용액공정 신뢰성과 높은 태양전지 성능을 보이는 유기 소재의 핵심원리를 규명했다.
연구과정을 보면 기존 연구들의 용액공정 과정에서 발생하는 문제점에 집중했다.
현재 실험실 수준에서 용액공정에 사용하는 스핀 코팅 방식의 경우 필름을 빠르게 회전시킴으로써 용매의 증발을 빠르게 진행시키고 때문에 태양전지 소재의 뭉침 현상 없이 광활성층을 형성할 수 있다.
그러나 산업용으로 쓰이는 대면적 프린팅 공정은 태양전지 소재가 녹아 있는 전구체의 용매가 증발하여 필름이 형성되는 속도가 느리다.
이로 인해 태양전지 소재 중 결정화가 쉬운 소재의 경우 필름상에서 분자가 유동성이 오래 지속이 됨으로써 뭉침 등의 현상이 불규칙적으로 일어나게 되고 이는 태양전지 성능 저하의 중요한 원인이 됨을 최초로 확인했다.
이 연구결과에 의하면 대면적 용액공정 방식에서 용매를 적절한 속도로 증발시켜 태양전지 성능에 최적화된 필름 형성 공정 방법을 개발해 기존보다 30% 성능이 상승한 9.6%의 고효율 대면적 유기태양진지 기술을 구현했다.
또 결정화 현상이 높은 온도에서 일어나고 상온에 가까운 낮은 온도에서는 필름상에서 무정형 특성을 유지하는 태양전지 유기반도체 소재 개발이 대면적용 저온 용액공정 방식에 유리함을 확인했다.
KIST 손해정 박사는 “고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심 디자인 원리를 제안함으로써 향후 용액공정 태양전지 개발이 가속화될 것으로 예상된다”고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐고 에너지 분야의 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy, IF: 16.602)에 게재됐다.