물방울 하나로 유기태양전지 효율 높였다

GIST 김동유 교수팀, 유기태양전지 수처리공법 개발
광활성층 최적화해 효율 1.45% 올라 11.92%로 개선

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 김동유 교수팀이 개발한 유기태양전지 수처리공법이 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)'의 프론트 표지 논문으로 선정됐다. GIST 제공

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 김동유 교수팀이 유기태양전지를 만드는 공정에 작은 물방울 하나를 첨가해 전기변환 효율을 높였다. 태양전지가 만들어지는 과정에서 물방울을 이용해 전기를 만들어내는 광활성층을 최적화한 것이다. 그결과, 넓은 면적의 유기태양전지 광전효율이 10.47%에서 최고 11.92%로 개선됐다.

김동유 교수는 3일 "고효율·고안정성의 대면적 유기태양전지 대량생산 및 실용화를 앞당기는 데 기여할 것"으로 내다봤다.

유기태양전지는 무기태양전지에 비해 저온 용액 공정이 용이하고 가벼우면서도 유연하며 비교적 투명한 필름을 가지는 것이 특징이다.

연구진은 소량의 물을 이용한 친환경 공법으로 대면적 유기태양전지 제작 과정에서 용액내 분산상태를 쉽게 제어했다. 즉, 유기태양전지 제작 및 준비과정에서 대기시간 동안 발생하는 도너나 억셉터 물질들이 과도하게 뭉치는 것을 막아 최적의 활성층 박막을 얻어냈다.

20마이크로리터의 물을 이용한 수처리 공법은 이중층으로 형성된 물이 유기용매 안에 섞이지 않은 작은 물방울(droplet) 상태로 침투한다. 물방울 주변에 작은 소용돌이를 만들어 유기용매 안의 도너와 억셉터가 뭉치는 것을 막고 고르게 분포하게 만드는 역할을 한다.

도너-억셉터는 유기태양전지 내 햇빛을 받아 전류를 만드는 부분인 '광활성층'을 이루는 물질이다. 전자가 풍부한 '도너' 물질과 전자가 부족한 '억셉터'로 구성돼 있다. 도너는 태양빛을 받아 전자를 만들어 보내고, 억셉터는 도너에서 전자를 받아 분리되며 전류가 생산된다.

연구진은 대면적 유기태양전지 및 모듈을 제작하는데 슬롯 다이 프린팅 방법을 사용했다. 이를 통해 0.1㎠ 소면적 유기태양전지는 최고 13.06%, 10㎠ 대면적 유기태양전지 모듈은 최고 11.92% 효율을 달성했다. 이 기술을 사용하지 않고 만든 유기태양전지의 광전효율은 10.47%였다.

소량의 물을 이용한 수처리 공정은 유기용매와 섞이지 않는 액적 상태로 강하게 회전하며 도너와 억셉터 분산 상태를 제어했다. 제어된 용액은 대면적 유기태양전지의 박막 상태까지 영향을 줄 수 있으며, 박막 거칠기가 가장 적은 최적 조건에서 향상된 소자 효율과 안정성을 보여줬다. GIST 제공

슬롯 다이 프린팅은 면적이 넓은 칼날을 이용해 액적의 맺힘 형태를 유지하며 일정 두께의 박막을 인쇄하는 방법이다.

용액 주입 및 인쇄 속도 등에 따라 다양한 형태 및 두께로 박막 특성을 제어할 수 있어, 최근 대면적 유연 전자 소자를 제작하기 위해 사용되고 있다.

김동유 교수는 "수처리 과정에서 발생하는 작은 소용돌이를 이용해 용액과 필름 상태의 도너-억셉터 분산 상태 모두를 자유자재로 제어할 수 있게 된 것이 이번 연구 성과의 가장 큰 의의"라며 "향후 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정이 도입된 대면적 태양전지의 제작과 실용화를 위한 원천 기술을 확보한 것으로 대량생산 기술의 실용화에 기여할 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 신소재공학부 김동유 교수가 주도하고, 한나라 박사과정생(제1저자)이 수행해 나노 및 재료 분야의 권위적인 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)'에 프론트 표지 논문으로 선정됐으며 6월 23일 온라인 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자