▲ 기능화된 산화아연 그래핀 양자점 단일층을 이용한 유기태양전지의 특성: (a) 기능화된 산화아연 그래핀 양자점을 활용한 경우, 전지의 효율이 향상됨을 확인할 수 있다. (b) 양자점 단일층에 의한 안정성 증가 확보.

국내 연구진이 그래핀을 이용해 태양전지의 변환효율과 안전성을 높이는데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 양자응용복합소재센터 손동익 박사 연구팀은 유기태양전지의 표면 개질 고분자 층(PEIE) 표면 위에 ‘기능화된 산화아연-그래핀 양자점’을 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리하여, 광전환 효율을 증대시키고, 소자의 안정성을 강화한 유무기 하이브리드 구조의 유기태양전지를 개발했다.

현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주 생산되지만, 복잡한 제작공정, 높은 재료가격으로 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 하지만 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지에 비해 가공이 쉬우며 경제성도 높다. 그러나 광전 변환 효율이 낮고, 오래 사용시 안전성이 떨어지는 단점이 있었다.

현재 태양전지의 효율과 안정성 증대를 위해서는 역구조 태양전지를 기반으로 전자수송층 역할을 수행하는 금속산화물계열의 물질을 적층해 전기에너지를 얻는 것이 일반적이다.

연구진은 ITO전극에 표면개질 고분자(PEIE)를 적층하고, 전자수송층으로 사용되는 산화아연의 전기적 성능 향상을 위해 전도도가 높은 그래핀을 껍질처럼 형성시킨 산화아연-그래핀을 도입했다.

기존 그래핀 표면에서는 존재하지 않는 –NH 또는 –NR기능기가 옥틸아민을 통해 그래핀 표면에서 형성됨으로써 유기용매 분산도를 높이고 PEIE층과 더욱 강한 전기적결함으로 박막 형성시 균일한 단일층을 형성하고 이를 통해 증가된 태양전지의 효율과 안정성에 기여했다.

이에 국내 연구진이 기능화 된 탄소기반 양자점 단일층을 도입해 태양전지의 전기적인 성능과 다기능한 역할로 기존보다 약 17.8%이상 효율을 증가함과 동시에 광 에너지 전환 효율(PEC)은 최대 10.3%의 효율을 얻었고, 안정성도 개선됨을 확인하였다.

KIST 손동익 박사는 “기능화된 산화아연-나노카본 양자점을 이용하여 기존 전자수송층 뿐만 아니라, 다양한 기능의 특성을 통해서 광에너지 전환 효율을 향상시키고, 솔라셀 폴리머 물질과의 계면 인터페이스 또한 우수하여 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”고 밝혔다.

이어“후속으로 연구 중인 나노카본을 기반으로 한 금속 물질 복합구조 양자점을 사용한다면 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다.

한편, 본 연구는 미래창조과학부가 지원하는 KIST 기관고유연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano energy) 1월14일 온라인판으로 게재되었다.