높은 효율, 고분자 태양전지 기술 개발
[인터뷰] 송명훈 UNIST 기계 및 신소재공학부 교수
최근 차세대 태양전지로 고분자 태양전지가 각광 받고 있다. 공액 고분자를 태양광 흡수체로 사용해 빛 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 고분자 태양전지는 제작비용이 저렴하고 형태와 무게 등에 제약을 적게 받아 유연한 소자를 구현할 수 있기 때문이다.
하지만 고분자 태양전지는 실리콘 대비 전자 및 정공 이동도가 매우 느려 실리콘 무기물 태양전지와 대비해 효율이 낮다는 문제점이 지적되곤 했다.
이런 가운데 국내 연구진이 높은 효율과 안정성을 가진 태양전지 기술을 개발해 주목을 받고 있다. 송명훈 울산과학기술대학교(UNIST) 교수팀이 고분자 태양전지의 가장 큰 약점이었던 낮은 효율과 안정성 문제를 해결해 나가고 있다.
다양한 계면처리 기술로 효율 ↑
“고분자 태양전지는 구조적인 측면에서 ‘conventional’ 구조와 ‘inverted’ 구조로 나뉩니다. 이 때 ‘conventional’ 구조는 양극으로 투명전극을 사용하고 음극으로 낮은 일함수를 가지는 금속전극을 사용하죠. 효율은 높지만 이와 같은 금속은 공기 중에 쉽게 산화되므로 소자 수명 문제를 해결하기 어렵다는 단점이 있어요.
이에 반해 ‘inverted’ 구조는 반대로 음극으로 투명전극을 사용하고 양극을 높은 일함수를 갖는 금속전극을 사용하기 때문에 공기안정성이 우수합니다. 금속산화물은 공기 중 안정적이며 기계적·전기광학적 물성이 우수하고 가시광 영역에서 투명하다는 장점을 갖고 있기 때문에 많이 연구되고 있는 분야입니다.
하지만 광활성층인 고분자 물질과 금속산화물 사이에 높은 계면저항을 갖고 있어 충진 인자가 낮은 편이고, 두 층 사이에 에너지장벽이 커요. 이를 해결하기 위해 다양한 계면처리 기술을 이용, 효율을 높이기 위한 노력을 기울이고 있습니다.”
송명훈 교수팀은 소자의 안정성을 고려해 inverted 구조를 채택했다. 또 효율적인 향상을 위해 나뭇잎 형태의 나노구조를 갖는 전자수송층을 사용했다. 연구팀은 이런 수송층을 에탄올아민으로 표면처리를 했으며 블로킹 효과에 의한 전자와 정공의 재결합을 방지함으로써 8.69% 라는 매우 큰 변환효율을 갖는 태양전지를 개발할 수 있었다.
“이번 연구의 가장 큰 장점은 매우 값싸고 간단한 범용적인 극성용매를 전자수송층인 산화아연 위에 코팅해 태양전지의 광전변환 효율을 향상시켰다는 점입니다. 특히 전자 수송층인 산화 아연층에 에탄올아민을 코팅할 경우 어떻게 쌍극자 현상이 유도되는 지 알 수 있었죠.”
발상의 전환으로 이룬 쾌거
송명훈 교수팀의 이번 연구는 역구조의 발광소자에 관한 연구를 지속적으로 진행하는 가운데 이룬 결과다.
“연구를 태양전지에 적용하고자 노력하는 가운데 N-도핑된 탄소나노튜브를 ZnO 위에 표면처리 함으로써 효율성이 향상된 결과를 얻게 됐습니다. 그러다가 간단하면서도 실용적인 방법이 좋지 않을까, 라는 생각을 하게 됐고 약간은 다른 다양한 시도를 하게 됐죠. 그 중 탄소나노튜브를 빼고 사용된 솔벤트만 사용해 ZnO 표면 위에 코팅을 하게 되고 효율향상이 탄소나노튜브를 넣을 때와 동일하게 나오는 결과를 얻게 됐습니다.”
좋은 결과는 얻었지만 왜 효율이 잘 나왔는지에 대한 확실한 답을 구하지 못한 송 교수팀은 해외 학회 중 송명훈 교수의 지도교수인 캠브리지 대학교의 프렌드 교수로부터 조언을 얻어 효율성에 대한 원인을 밝힐 수 있었다.
“기존에는 역구조 태양전지에서 금속산화물과 광활성층 사이에 에너지장벽을 줄이는 방법으로 자기조립 단분자막, 이온성 액체, 공액 고분자 전해질과 같은 물질을 사용했습니다. 하지만 원하는 물질을 합성해야 하는 번거로움이 있을 뿐 아니라 효율 증가가 아주 크진 않았어요.
우리 연구팀은 이러한 번거로움을 해결하고 동시에 평소 많이 사용하고 흔히 찾을 수 있는 메탄올(CH3OH), 에탄올(CH3CH2OH), 에탄올아민 등과 같은 극성용매를 통해 간단하고 효과적인 선택적 계면 조절을 함으로써 소자효율을 크게 향상 시켰습니다.”
역구조 고분자 태양전지에 사용한 송 교수팀의 극성용매 처리법은 선택적 계면조절을 통해 높은 태양전지 효율을 나타낼 뿐 아니라, 유기발광소자(OLED)와 유기박막트랜지스터 (OTFT), 유기레이저다이오드(OLD) 등과 같은 유기반도체소자에 사용할 수 있어 보다 성능이 향상된 소자를 개발할 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대되고 있다.
“비슷한 계열의 다른 솔벤트 및 관련계열의 극성용매 물질을 사용해 소자관련 연구를 지속적으로 연구할 계획입니다. 전자수송층인 금속산화물의 표면개질에 의해 태양전지 효율을 극대화 할 수 있는데, 특히 이번 연구의 경우 매우 값싸고 간단한 극성용매를 전자수송층인 산화아연 위에 코팅해 태양전지의 광전변환 효율을 향상시켰습니다.
앞으로 실용화를 위해서는 장시간 소자안정성을 연구하는 게 반드시 필요할 것입니다. 우리 연구팀이 제안한 내용이 유기광전소자에 적용되어 널리 쓰일 수 있는 기술이 되도록 연구를 진행하겠습니다.”
하지만 고분자 태양전지는 실리콘 대비 전자 및 정공 이동도가 매우 느려 실리콘 무기물 태양전지와 대비해 효율이 낮다는 문제점이 지적되곤 했다.
이런 가운데 국내 연구진이 높은 효율과 안정성을 가진 태양전지 기술을 개발해 주목을 받고 있다. 송명훈 울산과학기술대학교(UNIST) 교수팀이 고분자 태양전지의 가장 큰 약점이었던 낮은 효율과 안정성 문제를 해결해 나가고 있다.
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| ▲ 송명훈 UNIST 기계 및 신소재공학부 교수 ⓒ송명훈 |
다양한 계면처리 기술로 효율 ↑
“고분자 태양전지는 구조적인 측면에서 ‘conventional’ 구조와 ‘inverted’ 구조로 나뉩니다. 이 때 ‘conventional’ 구조는 양극으로 투명전극을 사용하고 음극으로 낮은 일함수를 가지는 금속전극을 사용하죠. 효율은 높지만 이와 같은 금속은 공기 중에 쉽게 산화되므로 소자 수명 문제를 해결하기 어렵다는 단점이 있어요.
이에 반해 ‘inverted’ 구조는 반대로 음극으로 투명전극을 사용하고 양극을 높은 일함수를 갖는 금속전극을 사용하기 때문에 공기안정성이 우수합니다. 금속산화물은 공기 중 안정적이며 기계적·전기광학적 물성이 우수하고 가시광 영역에서 투명하다는 장점을 갖고 있기 때문에 많이 연구되고 있는 분야입니다.
하지만 광활성층인 고분자 물질과 금속산화물 사이에 높은 계면저항을 갖고 있어 충진 인자가 낮은 편이고, 두 층 사이에 에너지장벽이 커요. 이를 해결하기 위해 다양한 계면처리 기술을 이용, 효율을 높이기 위한 노력을 기울이고 있습니다.”
송명훈 교수팀은 소자의 안정성을 고려해 inverted 구조를 채택했다. 또 효율적인 향상을 위해 나뭇잎 형태의 나노구조를 갖는 전자수송층을 사용했다. 연구팀은 이런 수송층을 에탄올아민으로 표면처리를 했으며 블로킹 효과에 의한 전자와 정공의 재결합을 방지함으로써 8.69% 라는 매우 큰 변환효율을 갖는 태양전지를 개발할 수 있었다.
“이번 연구의 가장 큰 장점은 매우 값싸고 간단한 범용적인 극성용매를 전자수송층인 산화아연 위에 코팅해 태양전지의 광전변환 효율을 향상시켰다는 점입니다. 특히 전자 수송층인 산화 아연층에 에탄올아민을 코팅할 경우 어떻게 쌍극자 현상이 유도되는 지 알 수 있었죠.”
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| ▲ 역구조 유 무기 하이브리드 금속산화물을 이용한 유기태양전지 원리 ⓒ한국연구재단 |
발상의 전환으로 이룬 쾌거
송명훈 교수팀의 이번 연구는 역구조의 발광소자에 관한 연구를 지속적으로 진행하는 가운데 이룬 결과다.
“연구를 태양전지에 적용하고자 노력하는 가운데 N-도핑된 탄소나노튜브를 ZnO 위에 표면처리 함으로써 효율성이 향상된 결과를 얻게 됐습니다. 그러다가 간단하면서도 실용적인 방법이 좋지 않을까, 라는 생각을 하게 됐고 약간은 다른 다양한 시도를 하게 됐죠. 그 중 탄소나노튜브를 빼고 사용된 솔벤트만 사용해 ZnO 표면 위에 코팅을 하게 되고 효율향상이 탄소나노튜브를 넣을 때와 동일하게 나오는 결과를 얻게 됐습니다.”
좋은 결과는 얻었지만 왜 효율이 잘 나왔는지에 대한 확실한 답을 구하지 못한 송 교수팀은 해외 학회 중 송명훈 교수의 지도교수인 캠브리지 대학교의 프렌드 교수로부터 조언을 얻어 효율성에 대한 원인을 밝힐 수 있었다.
“기존에는 역구조 태양전지에서 금속산화물과 광활성층 사이에 에너지장벽을 줄이는 방법으로 자기조립 단분자막, 이온성 액체, 공액 고분자 전해질과 같은 물질을 사용했습니다. 하지만 원하는 물질을 합성해야 하는 번거로움이 있을 뿐 아니라 효율 증가가 아주 크진 않았어요.
우리 연구팀은 이러한 번거로움을 해결하고 동시에 평소 많이 사용하고 흔히 찾을 수 있는 메탄올(CH3OH), 에탄올(CH3CH2OH), 에탄올아민 등과 같은 극성용매를 통해 간단하고 효과적인 선택적 계면 조절을 함으로써 소자효율을 크게 향상 시켰습니다.”
역구조 고분자 태양전지에 사용한 송 교수팀의 극성용매 처리법은 선택적 계면조절을 통해 높은 태양전지 효율을 나타낼 뿐 아니라, 유기발광소자(OLED)와 유기박막트랜지스터 (OTFT), 유기레이저다이오드(OLD) 등과 같은 유기반도체소자에 사용할 수 있어 보다 성능이 향상된 소자를 개발할 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대되고 있다.
“비슷한 계열의 다른 솔벤트 및 관련계열의 극성용매 물질을 사용해 소자관련 연구를 지속적으로 연구할 계획입니다. 전자수송층인 금속산화물의 표면개질에 의해 태양전지 효율을 극대화 할 수 있는데, 특히 이번 연구의 경우 매우 값싸고 간단한 극성용매를 전자수송층인 산화아연 위에 코팅해 태양전지의 광전변환 효율을 향상시켰습니다.
앞으로 실용화를 위해서는 장시간 소자안정성을 연구하는 게 반드시 필요할 것입니다. 우리 연구팀이 제안한 내용이 유기광전소자에 적용되어 널리 쓰일 수 있는 기술이 되도록 연구를 진행하겠습니다.”
 저작권자 2013.10.25 ⓒ ScienceTimes |
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