▲ 나노혼합물을 이용해 한번의 인쇄공정으로 기능층과 광활성층을 형성시키는 새로운 인쇄기숭이 개발됐다. 이러한 인쇄 공정을 통해 제작된 1cm2의 적층형 유기태양전지 사진.

국내연구진이 인쇄공정을 단축시키면서 기존의 무기태양전지의 광변환효율에 근접한 성과를 지니는 유기태양전지 인쇄공정기술을 개발했다. 향후 해당 기술로 이와 비슷한 소자의 구조에도 활용될 것으로 보인다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 지난3일 이광희 광주과학기술원 교수 연구팀이 “고효율의 인쇄형 적층 유기태양전지 제작 공정을 크게 줄인 새로운 인쇄 기술을 개발했다”고 밝혔다.

유기태양전지는 기존의 실리콘태양전지와 달리 가볍고 유연해 휴대하기 쉬운 장점이 있다. 또한 용액을 이용해 저비용으로 소자를 제작할 수 있는 용액공정이 가능해 신문인쇄하듯 연속적으로 넓은 면적에서의 인쇄공정이 가능하다.

웨어러블 전자기기와 휴대용 전자기기의 전원으로 저가형 신재생 에너지원으로 각광을 받고 있는 형태이다.

그러나 이러한 유기태양전지는 최대 10%의 광변환효율을 가지는 기존의 무기태양전지에 비해 유기광활성물질이 지니는 낮은 전하 이동도와 좁은 흡광영역으로 단일층 구조 태양전지의 상용화가 어려운 것이 실정이다.

이에 연구진은 연구팀은 고분자 전해질인 기능층(Polyethyleneimine, PEI)과 광활성 물질을 혼합한 나노혼합물을 적층형 유기태양전지에 적용해 기능층과 광활성층을 한번의 인쇄공정으로 구현하고 그 성능이 유기태양전지 상용화의 효율 기준치인 9.1%에 달하는 것을 확인했다.

일반적으로 2개의 단일층 유기태양전지를 쌓기 위해선 6개이상의 주요구성층들이 필요해 이를 위해 아래소자 제작과정과 (전자수송층, 광할성층박막코팅, 정공수송층 박막코팅) 윗소자 제작과정(전자수송층, 광활성층, 정공수송층 박막코팅)등 6번의 공정 단계가 필요하다.

하지만 연구진의 나노혼합물 자가조립현상으로는 각전자수송층과 광활성층을 한번의 인쇄공정으로 만들 수 있다. 기존의 6단계에서 4단계로 공정이 줄어들어 단가 절감에 큰 도움이 된다.

연구진은 해당 공정이 세계에서 인쇄공정으로 제작되는 적층형 유기태양전지 중 가장 단순한 구조이며 성능적으로도 무기태양전지의 효율에 근접했다고 밝혔다.

이어 나노혼합물의 자발적인 상 분리를 이용하는 새로운 인쇄 기술은 유기태양전지뿐만 아니라 이와 유사한 소자 구조를 가지는 미래의 구부러지는 전자 기기에 쓰일 유기 전계효과 트랜지스터와 OLED 면광원 등 전반적인 유기 전자소자의 제작 공정에도 적용될 수 있다고 전했다.

이광희 교수는 “이번 연구성과는 인쇄 기법을 통해 고효율의 적층형 유기태양전지의 생산 공정 단계를 크게 줄여 단순화시켰기 때문에 공정비용이 크게 절감 될 것이며, 이는 유기태양전지 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구결과는 미래창조과학부(한국연구재단) 기초연구사업(개인연구) 등의 지원으로 연구를 수행했으며, 재료과학 분야 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머테리얼즈(Advanced functional materials) 4월 30일자에 게재되었다.