효율성과 안정성 높인 유무기 하이브리드 태양전지 소자 개발

“기존 효율 대비 20% 이상 향상된 안정성 확보 기술 찾았다!”

김 미 선 기자

Q. 이번 유기 태양전지 연구개발의 배경은?

최근 무기물을 사용한 청색 발광다이오드로 노벨상을 받은 사례가 있으며, 차세대 기술인 유기물로는 발광소자를 개발해 디스플레이 제품으로 생산 및 판매하고 있는 상황이다. 그 이전에는 유기물을 이용한 유기물 발광소자(OLED)를 제작해 노벨상을 받은 사례도 있다. 이처럼 발광소자는 실생활에 많은 도움을 주고 있다.

그 중에서도 차세대 발광소자로 각광받고 있는 물질이 있는데, 바로 양자점을 이용한 발광소자다. 이 물질은 유기물에 비해 합성 비용이나 발광소자 제작 장비 비용이 낮게 형성돼 단가 측면에서 많은 이점이 있을 뿐 아니라, 유기물과는 다르게 색 변환이 쉬우며, 색 재현율 또한 우수하다고 알려져 있다. 따라서 수많은 연구자들이 연구를 진행하고 있고, 이미 어느 정도는 시제품에 적용하고 있는 상황이다. 여기에 착안해 우리 팀은 각각 파장의 색깔을 내는 양자점을 유기물 태양전지에 적용하는 실험을 진행했다.

유기 태양전지의 표면개질 고분자층(PEIE) 표면 위에 ‘카드뮴 셀레나이드(CdSe)’를 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리해 유무기 하이브리드 구조를 가진 유기 태양전지를 제작했다. 이 연구를 통해 가시광선 영역의 파장을 가지는 카드뮴 셀레나이드 양자점 단일층 구조를 형성함으로써 기존 금속 산화물 나노입자가 담당했던 전자 수송층 역할은 물론이고, 일정한 광흡수 및 광산란, 플라즈모닉(SPR : Surface Plasmon Resonance) 특성 등 다양한 기능으로 기존보다 20% 이상 효율이 증가함과 동시에 안정성도 한층 개선됨을 확인할 수 있었다.

Q. 기존 유기 태양전지 관련 연구와 이번 연구 성과의 가장 큰 차이점은 무엇인가?

기존에는 자외선 영역의 파장을 가지는 넓은 밴드갭의 금속 산화물 나노입자인 산화아연(ZnO), 타이타늄 다이옥사이드(TiO2) 등을 전자 수송층으로만 사용했기 때문에 광전환 효율을 향상시키기에는 많은 제약이 있었던 게 사실이다.

우리 팀은 이번 연구를 통해 가시광선 영역의 파장을 가지는 카드뮴 셀레나이드 양자점 단일층 구조를 형성해 기존 금속 산화물 나노입자가 담당했던 전자 수송층 역할에서부터 일정한 광흡수 및 광산란, 플라즈모닉 특성 등의 다양한 기능을 가질 수 있도록 했다. 그 결과, 기존보다 20% 이상 효율이 증가하는 것은 물론 안정성도 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 개발된 ‘카드뮴 셀레나이드 단일층’은 단순한 용액 공정을 통해 쉽고 빠르게 형성할 수 있을 뿐 아니라, 광활성층에서 흡수하지 못하고 투과해버리는 태양광을 소량 흡수해 전자와 정공의 형성에 도움을 주게 되므로 태양전지의 광전변환 효율의 증대를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 향후 유기 태양전지 상용화를 달성할 수 있는 새로운 연구과제인 그래핀 양자점과의 복합구조 개발을 진행 중이라고 했는데, 이번 연구 성과가 이 후속연구에 있어 어떤 의미가 있나?

레드(Red) 양자점을 사용한 유기 태양전지의 효율은 8.1%이다. 각각 파장의 색깔을 가지는 양자점(Blue, Green 등)을 적용해 효율을 높이는 연구도 진행 중이나, 카드뮴 셀레나이드 양자점의 최대 단점은 카드뮴(Cd)이라는 유해물질을 사용하는 것이기 때문에 산업화로 양산되는 것이 한계가 있을 것으로 보인다.

이러한 단점을 극복하기 위해 친환경적이고 특성이 우수한 양자점을 적용하고자 연구 중인 물질이 금속산화물 양자점에 탄소나노소재인 그래핀을 껍질로 사용한 ‘금속산화물-그래핀 핵-껍질 양자점’이다. 기존 금속산화물 나노입자나 카드뮴 셀레나이드와 같은 색깔을 가지는 파장의 양자점과 대비해, 이 물질은 우수한 빛의 흡수를 통해 전자를 최대한 빨리 이동할 수 있도록 하는 특성을 가지고 있으며, 광부식에 의한 수명 안정성도 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 이번 연구 성과 중 가장 중요하다고 강조하고 싶은 점이 있다면?

앞서 언급했듯이 우리 연구팀은 이번 연구를 통해 가시광선 영역의 파장을 가지는 카드뮴 셀레나이드 양자점 단일층 구조를 형성함으로써 기존의 금속 산화물 나노입자가 담당했던 전자 수송층 역할은 물론 일정한 광흡수, 광산란, 플라즈모닉 특성 등 다양한 역할을 통해 기존보다 20% 이상 효율을 개선시키고 안정성도 한층 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 이번 연구는 다양한 색깔의 파장을 가지는 양자점을 사용하면 효율을 더욱 높일 수 있다는 연구개발에 대한 힌트가 될 뿐 아니라, 그래핀 양자점과의 복합 구조에 대한 연구 기반이 됐다는 데 그 의미가 깊다 하겠다.

Q. 향후 유기 태양전지의 상용화를 위한 기술개발 과제가 있다면?

실리콘 태양전지의 경우 가격이 Wp당 1달러 이하로 떨어지면서 경제성을 갖추게 됐을 뿐 아니라, 효율이 증가하고 내구성도 확보하는 등 유기 태양전지 대비 환경적, 기술적으로 우위에 있다. 이 같은 상황에서 유기 태양전지가 실리콘 태양전지와 시장에서 동등하게 경쟁하기 위해서는 지금보다 몇 배 이상의 연구개발이 필요한 것이 사실이다.

기존 실리콘 및 무기계 태양전지와 달리, 유기 박막 태양전지는 여러 가지 코팅 및 인쇄기술을 적용함으로써 저가의 박막 및 대면적 소자를 제작할 수 있으며, 롤-투-롤 공정에 의한 유연성 소자의 제작도 가능하므로 높은 생산성과 경제적인 공정 단가를 실현할 수 있다. 따라서 차세대 플렉시블 전자 소자나 이동용 정보전자기기의 전력원, 군수용, 건물 창호 등에 폭넓은 응용이 기대되는 소자로서 현재 미국, 일본, 유럽연합 등 선진국을 중심으로 많이 연구되고 있으며, 국내 연구성과도 짧은 연구 역사에 비해 상당한 수준에 도달해 있는 상태다.

태양전지의 전반적인 시장과 기술 발전 추이에 비춰볼 때 현재 유기 박막 태양전지 기술은 기존의 다른 무기 박막 태양전지들에 비해 개발 초기단계에 있음을 부인할 수는 없다. 그러나 최근 2~3년 사이 고성능 신소재들의 개발에 힘입어 실용화라는 목표는 어느 정도 가능할 것으로 판단된다.

하지만 10% 이상의 에너지 전환 효율을 얻기 위해서는 전하 이동속도가 더욱 향상돼야 할 뿐 아니라, 밴드갭이 작은 신규 도너(Donor) 소재를 비롯해 도너 물질에 최적화된 밴드갭, 에너지 준위를 갖는 액셉터(Acceptor) 소재, 버퍼 소재 등의 신소재 개발이 이뤄져야 한다. 이와 더불어 SPR(Surface Plasmon Resonance) 현상의 적용, 업-컨버전(Up-conversion) 및 다운-컨버전(Down-conversion) 등을 통한 광전환 효율향상 기술, 박막의 나노 Morphology와 소자구조의 최적화, 고성능 탠덤소자 개발 등 이전보다 한 차원 높은 발상의 전환도 요구된다. 또한 내구성 향상을 위한 Encap 기술과 성능 저하 없이 대면적화할 수 있는 인쇄기술들도 향후 중요한 이슈가 될 것으로 보인다.

유기 태양전지 상업화 가능성 열다!

KIST 손동익 박사팀은 이번 연구를 통해 가시광선 영역의 파장을 가지는 카드뮴 셀레나이드 양자점 단일층 구조를 형성함으로써 기존의 금속 산화물 나노입자가 담당했던 전자 수송층 역할은 물론 일정한 광흡수, 광산란, 플라즈모닉 특성 등 다양한 역할을 통해 기존보다 20% 이상 효율을 개선시키고 안정성도 한층 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 차세대 나노소재 재료 중 하나인 양자점 단일층을 이용해 광전환 효율을 증대시키면서 소자의 안정성을 강화한 유기 태양전지 개발에 성공했다고 밝혔다.

일반적으로 유기 태양전지에서 태양광을 흡수해 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광활성층(Active Layer)이라 불리는 유기물층(P3HT 혹은 PTB7 고분자 물질)은 태양광을 받아 전자를 내놓는 ‘전자주게물질(Donor)’과 전자를 받아서 전극으로 전달하는 ‘전자받게물질(Acceptor : PCBM, 탄소나노물질)’의 혼합층(탄소복합구조)으로 이뤄져 있다. 하지만 유기 태양전지의 특성상 광활성층의 두께는 제한적이고 광활성층에 사용된 유기물질의 종류에 따라 고유의 특성이 존재하므로 태양광의 전 파장 영역에서 100% 흡수할 수 없다는 단점을 가지고 있다.

연구팀은 유기 태양전지의 표면개질 고분자층 표면 위에 ‘카드뮴 셀레나이드’를 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리한 유무기 하이브리드 구조를 가진 유기 태양전지를 제작했다. 기존에 사용된 자외선 영역의 파장을 가지는 넓은 밴드갭의 금속 산화물 나노입자는 전자 수송층으로만 사용했었기 때문에 효율을 향상시키기에는 많은 제약이 있었다. 손 박사팀에 의해 개발된 ‘카드뮴 셀레나이드 단일층’은 단순한 용액공정을 통해 쉽고 빠르게 형성할 수 있을 뿐 아니라, 광활성층에서 흡수하지 못하고 투과해버리는 태양광을 소량 흡수해 전자와 정공의 형성에 도움을 주게 되므로 태양전지 광전변환 효율을 높이게 된다.

실제로 이 연구에서 가시광선 영역의 파장을 가지는 카드뮴 셀레나이드 양자점 단일층 구조를 형성해 기존의 금속 산화물 나노입자가 담당했던 전자 수송층 역할을 하는 것은 물론, 일정한 광흡수, 광산란, 플라즈모닉 특성 등 많은 역할을 담당함으로써 기존보다 20% 이상 효율이 증가됨과 동시에 안정성도 개선됨을 확인했다.

KIST 손동익 박사는 “단일층 양자점을 이용해 개발한 이번 유기 태양전지는 기존 전자 수송층으로의 역할 외 다양한 기능성을 통해 광에너지 전환 효율을 향상시킬 뿐 아니라, 용액 안정도가 커 유기 태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”면서, “후속으로 연구 중인 차세대 재료인 그래핀 양자점과의 복합구조를 가진다면 유기 태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 밝혔다.

SOLAR TODAY 김 미 선 기자 (st@infothe.com)

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