유기태양전지 나노소재 완성전 효율 확인 기술개발!

품질관리 및 비용절감에 기여할 것으로 전망

재료연구소 표면기술연구본부 임동찬 박사와 연구책임자인 이주열 박사, 울산대학교 조신욱 교수, 성균관대학교 김영독 교수 등 공동연구팀(이하 연구팀)은 유기태양전지가 완성되기 전 소재 단위에서 미세영역을 분석하는 측정법을 개발했다. 이를 통해 유기태양전지 속 나노소재의 새로운 역할을 찾아냈으며, 미리 광전반응 특성을 알 수 있어 보다 쉽고 편리하게 효율성을 예측할 수 있게 됐다.

하 상 범 기자

재료연구소 표면기술연구본부 임동찬 박사와 울산대학교 조신욱 교수, 성균관대학교 김영독 교수로 구성된 연구팀은 유기태양전지가 완성되기 전 소재 단위에서 미세영역을 분석하는 측정법을 개발했다. 이를 통해 미리 광전 반응 특성을 알 수 있어 보다 쉽고 편리하게 효율성을 예측할 수 있게 됐다. 이번 연구결과는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트에 게재됐다.

플러렌 유도체의 역할 새롭게 확인

이번 연구결과 유기태양전지에 적용되는 나노소재 중 하나인 플러렌 유도체가 전자의 이동을 원활히 해줄 뿐만 아니라 정공의 이동을 효과적으로 막아 태양전지 효율 향상에 기여하는 것으로 나타났다. 이번 연구결과가 나오기 전에는 플러렌 유도체가 전자의 이동을 원활히 해준다고만 알려졌었다. 플러렌 유도체는 탄소원자가 5각형과 6각형으로 이루어진 축구공 모양으로 연결된 분자를 통틀어 이르는 말이다.

유기태양전지는 플러렌 유도체, 전도성 고분자, 금속산화물 등 다양한 종류의 나노소재를 혼합하거나 층층이 쌓아 제작한다. 그 중 플러렌 유도체는 전자와 정공을 각기 다른 방향으로 이동하게 해 광활성층에서 생성된 전하의 재결합을 막아 태양전지 효율을 향상시키는 것으로 나타났다.

이번에 연구팀이 개발한 측정법을 사용하게 되면 소자를 다 만들지 않고 소재 단위에서 미세영역 분석만으로 효율을 예측할 수 있어 비용절감 효과가 기대된다. 또 전하의 흐름을 이미지로 표현할 수 있어 타 연구 분야에도 쉽게 활용할 수 있다.

유기태양전지 핵심소재 품질관리 실시간으로 가능해져

나노소재는 전기·전자, 에너지, 환경 등 다양한 산업분야에 적용되고 있다. 나노소재 고유의 특성 뿐만 아니라 다른 소재와 결합됐을 때 나타날 수 있는 새로운 특성을 미리 파악하는 것은 중요한 정보가 되기 때문에 정밀한 측정 방법이 필요하다. 연구팀은 소재 단위의 측정법이 향후 나노소재 기초 및 응용연구에 파급효과가 클 것으로 기대하고 있다.

현재 태양전지의 효율을 높이기 위해 신소재를 개발하거나 기존 개발된 소재간의 혼합 비율, 적층 순서 변경 등을 통한 공정 조건을 다양화하는 두 가지 방식의 연구가 전개되고 있다. 공동연구팀은 유기태양전지의 효율을 높이고 측정법의 타 분야 적용을 앞당기기 위해 관련 연구를 지속적으로 펼쳐나갈 방침이다.

연구책임자인 재료연구소 이주열 박사는 “이번 기술개발로 유기태양전지 제조 과정 중에 개별 소재가 태양전지 효율에 미치는 영향을 실시간으로 조사할 수 있어 핵심 소재의 품질관리가 더욱 효과적으로 이뤄질 수 있다”고 말했다.

재료연구소 표면기술연구본부 임 동 찬 박사

“유기태양전지에서 플러렌 역할 새롭게 규명하는데 성공”

Q. 이번 연구성과는 기존 연구와 어떤 점에서 다른가?

나노소재 중 하나인 플러렌 유도체가 유기태양전지의 광활성층에서 생성된 전자의 이동을 원활히 해줄 뿐만 아니라 정공의 이동을 더 효과적으로 막아주는 역할도 한다는 새로운 사실을 알아냈다. 학계에서는 지금까지 전자의 이동을 원활히 해주는 역할만 알려졌다.

Q. 연구성과가 어디에 활용될 수 있는가?

유기 태양전지의 전자 수송층 소재 및 기타 전기, 전자 소자 및 촉매 소재로 사용이 가능할 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?

플러렌 나노소재는 현재에도 많이 사용되는 소재이며, 태양전지 분야에 사용된다면 유기태양전지의 상용화 예상 시기인 2018년부터 보다 더 활발히 사용될 것으로 보인다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

다양한 나노소재가 태양전지의 효율 향상에 구체적으로 어떻게 영향을 주는지 알아보기 위해 새로운 측정법이 필요하다고 생각했으며, 이를 위해 유기태양전지의 필수 소재인 플러렌에 대한 연구를 먼저 시작했다.

Q. 연구과정에서 겪은 에피소드가 있다면?

이 연구는 유기태양전지에서 기존에 알려진 플러렌의 역할뿐만 아니라 새로운 역할을 찾아낸 것이며, 특히 새로운 분석법을 통해 보다 쉽게 그 특성을 파악했다는데 의의가 있다고 볼 수 있다. 그런데 수nm의 플러렌 입자를 유기태양전지의 계면박막으로 적용하다보니 최종적으로 소자를 만들고 난 이후에도 이 얇은 막이 존재하느냐란 질문을 많이 받았고, 실제로 심사과정에서도 의문이 제기됐다. 이것을 증명하기 위해서 추가로 고성능의 투과전자현미경 실험을 진행했는데 생각보다 쉽지 않은 과정이었지만 성공적으로 마칠 수 있었다.

Q. 이루고 싶은 목표는 무엇인가?

새로운 나노소재의 정확한 특성을 규명해 효율이 크게 향상된 차세대 태양전지를 개발하고 싶다. 실용화를 위한 공학적 관점도 중요하지만, 동시에 기초과학적 관점을 늘 유지하는 것이 실제 상용화 연구에 많은 도움이 된다.

유기태양전지 나노소재 완성전 효율 예측

1. 연구배경

유기태양전지의 효율을 향상시키기 위한 다양한 방법의 하나로 태양광의 흡수를 증가시키기 위해 나노 패터닝된 금속산화물을 유기태양전지의 계면층으로 적용하는 방법이 있다. 그러나 이렇게 패터닝된 계면층은 광활성층에서 생성된 전하를 전달시키는 과정에서 전하의 흐름을 불균일하게 만들고, 전하를 구성하는 전자와 정공을 선택적으로 이동하게 하는 선택성이 부족해진다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 원자층 증착기술(Atomic Lyer Deposition, 이하 ADL 방법)을 이용해 수 nm의 얇은 금속산화물 박막을 나노 패터닝된 구조 위에 코팅했으며, 그 결과 전하의 흐름이 보다 더 균일하고 원활해져 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있음을 확인했다. 그러나 여전히 유기태양전지의 상용화를 위해서는 각각의 나노소재의 특성을 정밀하게 분석할 수 있는 분석법 및 저가격의 용액공정이 필요하다.

2. 연구내용

이에 따라 연구팀은 용액법을 이용해 플러렌 소재로 구성된 수 nm의 계면층을 3차원 형상의 나노구조 계면박막위에 성공적으로 형성했으며, ALD 방법을 적용했을 때와 같이 태양전지 효율이 향상됐다. 특히 플러렌으로 구성된 나노 계면층이 전하 흐름의 균일성 및 선택성을 동시에 부여할 수 있다는 것을 새로운 분석법을 통해서 보다 간편하게 분석했다. 유기태양전지 구조는 두 개의 금속전극 사이에 태양광을 받아서 전자와 정공을 생성할 수 있는 유기물층이 놓이게 된다. 이때 유기물층은 일반적으로 전도성 고분자 및 플러렌 유도체와 복합막이 사용된다.

한편 유기물층에서 생성된 전자와 정공이 각각의 금속 전극으로 선택적으로 이동하도록 금속산화물 또는 전도성 고분자로 이루어진 베리어층이 코팅된다. 빛의 흡수율 및 유기물에서 생성된 전하의 수집효율을 향상시키기 위해 금속산화물 베리어층의 경우 나노패터닝된 구조가 많이 사용된다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 이러한 패터닝된 계면층은 광활성층에서 생성된 전하를 전달시키는 과정에서 전하의 흐름을 불균일하게 만들고 전하를 구성하는 전자와 전공을 선택적으로 이동하게 하는 선택성이 부족하다. 이런 문제를 해결하기 위해 연구팀은 플러렌 유도체(PCBM)를 용액법으로 나노패터닝된 산화아연 베리어 박막층 위에 코팅했다. 연구팀은 코팅된 PCBM층이 상부의 유기물층이 코팅되는 과정에서도 안정적으로 남아 있음을 실험적으로 밝혔으며, 태양전지 효율향상에 크게 기여함을 밝혔다.

PCBM 소재를 나노패터닝된 베리어 박막 위에 코팅한 이후에 전체적인 전류의 분포가 균일해졌으며, 이동 또한 빨라졌다. 특히, 기존에 PCBM이 전자의 이동을 향상시켜서 태양전지의 효율이 향상된다고 알려진 것에 비해 추가로 코팅된 PCBM층은 전자의 이동 향상뿐만 아니라 정공의 이동도 보다 더 효과적으로 제한한다는 점을 밝혔다. 이와 같은 소재 특성을 정확히 이해한다는 것은 향후 나노 소재를 소자에 적용시 최적의 공정 조건을 찾는데 중요한 변수가 될 수 있다.

특히 참여연구원인 재료연구소 허진희 박사는 광전류 원자층분석 현미경(PC-AFM) 분석법을 이용해 태양전지 소자를 모두 제작하지 않고도 각각의 나노소재의 특성을 미리 예측할 수 있도록 했다. 이러한 예측을 바탕으로 최적의 공정조건을 보다 쉽게 최적화할 수 있게 됐다.

3. 기대효과

유기태양전지 및 나노 소재의 상용화에 가까운 기술을 개발하기 위해 본 연구에서는 용액법을 이용해 플러렌 소재로 구성된 수 nm의 계면층을 성공적으로 형성했으며, ALD 방법을 적용했을 때처럼 태양전지 효율이 향상된 것을 확인했다. 특히 플러렌으로 구성된 나노 계면층이 전하 흐름의 균일성 및 선택성을 동시에 부여할 수 있다는 것을 알게 됐으며, 새로운 분석법을 통해서 보다 간편하게 결과를 분석할 수 있게 됐다.

SOLAR TODAY 하 상 범 기자 (st@infothe.com)

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