차세대 태양전지로 주목받는 유기태양전지의 박막 형성 원리를 국내 연구진이 최초로 규명했다. 나아가 효율성이 높고 신문처럼 인쇄해서 만들 수 있는 유기태양전지 제조 기술을 제시했다.

6일 미래창조과학부에 따르면 미래부 글로벌프런티어 사업인 ‘나노기반 소프트 일렉트로닉스 연구단’의 조길원 포스텍 화학공학과 교수와 박사과정 김민 연구원은 유기태양전지 박막의 나노구조를 3차원으로 분석하고 박막 형성 원리를 밝혀냈다.

연구팀이 3차원 투과전자현미경을 이용해 도출한 이번 연구 성과는 재료과학분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스트 에너지 머티리얼스’(Advanced Energy Materials) 최신호(1월28일자)에 표지논문으로 실렸다.

유기태양전지는 적은 비용을 들여 대면적으로 제작할 수 있고, 유연성이 좋아 실리콘이나 무기태양전지에 이은 차세대 태양전지로 기대를 받고 있다. 그러나 태양빛을 전기에너지로 바꾸는 광전효율이 낮아 상용화가 이뤄지지 않고 있다.

유기태양전지는 100나노미터(㎚) 정도의 박막으로 돼 있다. 전기 에너지를 효과적으로 생산하려면 이 박막의 나노구조를 잘 제어해야 한다. 그러나 박막의 두께가 너무 얇고 박막 형성 과정이 복잡해 구조를 분석하고 제어하기는 어렵다.

연구팀은 박막을 형성할 때 사용하는 용매의 증발 과정에 따라 박막의 나노구조가 크게 달라진다는 사실을 확인했다. 즉 유기태양전지를 구성하는 물질을 녹이는 용매의 용해도가 달라지면 박막의 나노구조도 달라진다는 것을 알아냈다.

연구팀은 끓는점이 다른 두 용매를 혼합해 증발 속도를 조절, 광전효율을 극대화한 광활성층 나노구조를 만들어냈다. 이 기술을 이용하면 복잡한 박막 형성 공정을 한 번의 용액 코팅으로 단순화할 수 있다.

연구팀은 이 기술을 이용해 기존 태양전지보다 효율을 20% 이상 증가시킨 태양전지도 개발했다.

이번 연구 성과는 앞으로 인쇄용 고효율 유기태양전지와 유기 반도체에 기반을 둔 인쇄용 유연 전자소자 등을 상용화하는 데 기여할 것이라고 연구팀은 설명했다.