국내 연구진이 태양전지 원료의 용액을 코팅한 후 고체화되는 속도를 제어하는 방법으로 대면적의 용액공정 유기태양전지 개발을 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 손해정 광전하이브리드연구센터 박사팀이 용액공정 기술상에서의 해결을 통해 고효율 유기태양전지 대면적화 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

용액공정 태양전지는 기존 고가의 진공 프로세스가 아닌 잉크 타입의 유기물 전구체를 이용해 저가의 코팅이나 인쇄방식으로 제작하는 태양전지를 뜻한다. 지금까지 용액공정 태양전지의 활성 영역은 0.1㎠ 이하의 매우 작은 실험실 수준에 머물러 있었다. 실질적 전력생산이 가능한 넓은 면적으로 활성 영역(필름의 크기)을 조정했을 때 소재와 공정에서 오는 한계로 태양전지의 성능감소 및 재현성에 문제가 생겼기 때문이다.

손해정 박사팀은 이에 용액 공정상에서의 유기태양전지의 작은 면적과 큰 면적 간 필름 형성 차이를 규명하는 일에 나섰다.

연구진은 우선 산업용으로 쓰이는 대면적 용액공정의 경우, 태양전지 소재가 녹아있는 용매가 증발해 필름이 형성되는 속도가 느려 뭉침 등의 현상이 일어나 태양전지의 효율이 떨어지게 된다고 파악했다. 반면 실험실 연구 단위에서 쓰이는 작은 면적용 공정인 스핀 코팅 방법의 경우, 필름 형성 과정에서 필름을 빠르게 회전시켜 용매의 증발을 속히 진행시키기 때문에 문제점 없이 고효율의 필름을 형성할 수 있음을 분석했다.

연구진은 이같은 사실을 바탕으로 대면적 용액공정 방식에서 코팅 공정 후 용매의 증발속도를 제어해 태양전지 성능에 최적화된 필름 형성하고 고성능 대면적 유기태양전지를 개발했다. 그 결과, 기존보다 태양전지 광전변환효율이 30% 상승한 9.6%의 고효율 대면적 유기태양전지 기술을 구현하게 됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 KIST 주요사업과 연구재단 중견연구자지원사업으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '나노 에너지'(Nano Energy) 최신호에 게재됐다.

손 박사는 "고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심 디자인 원리를 제안함으로써 향후 용액공정 태양전지 개발이 가속화될 것으로 예상된다"고 말했다.

구교현 기자 kyo@greendaily.co.kr