KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 손해정 광전하이브리드연구센터 박사 연구팀이 저온 프린팅 공정이 가능한 고성능 고분자 신소재를 개발했고 이를 태양전지의 광활성층 소재로 사용해 플라스틱 기판 위에 고효율의 유연한 유기태양전지를 구현했다고 10일 밝혔다.

유기태양전지는 프린팅 방식을 이용한 태양전지들 중 가장 대표적인 기술이다. 또 고분자 소재의 특성은 가볍고 유연한 태양전지 구현에 가장 적합한 기술 방식이다.

플라스틱 기판 위에 유기태양전지를 제작하기 위한 조건으로 100℃ 근처 혹은 그 이하의 상대적인 저온에서 모든 공정이 이뤄져야 한다. 하지만 실제로 태양전지에 광활성층이 높은 전기적 특성과 광전 변환 특성을 확보하기 위해서는 고분자 소재의 높은 결정 특성과 고온의 열처리가 필요하다는 단점이 있었다.

연구팀은 기존 고분자 소재를 대체할 수 있는 신규 전도성 고분자를 개발해 태양전지 광활성층 소재로 이용했다. 이 고분자는 기존 고결정성 고분자에 비해 결정성은 낮지만 오히려 광활성층 내 전하의 생성과 운반에 유리한 특성을 지닌다.

때문에 기존 고분자가 고결정성을 갖기 위해 160℃ 이상의 높은 온도에서 열처리 공정이 필요한 반면, 신규 고분자의 경우 이러한 열처리 공정을 거치지 않아도 높은 특성을 보이는 것으로 나타났다.

연구팀은 고결정성 고분자에서 화학구조의 규칙성을 낮춰 새롭게 합성했다. 이 고분자 신소재는 고분자가 광활성층 내 소재(n-형)와 잘 섞이게 되고, 이는 고분자가 우수한 전기적 특성을 가지게 하는 것으로 나타났다.

두 경우의 플라스틱 기판 위에 태양전지를 제작했을 때 기존 고분자의 경우 태양전지 효율 저하를 보였으나, 신규 고분자의 경우 열처리가 필요 없으며 상대적으로 유리 기판에 위에 제작된 소자와 비슷한 효율을 유지했다.

신규 고분자를 이용한 플라스틱 기반 유연 유기태양전지는 기존 고분자를 이용한 소자에 비해서 40%가량의 효율 향상을 보였다. 최고 10.02%까지의 높은 광전변환 효율을 기록했다. 이러한 성능은 플라스틱 기반 유연 유기태양전지 소자 중 최고 수준의 결과다.  

손해정 박사는 "이번 연구를 통해 개발한 유기태양전지 고분자 소재는 태양전지 공정 과정을 획기적으로 개선해 플라스틱 기반의 고효율 유연 태양전지 구현에 중요한 기여를 한 연구"라며 "향후 유기태양전지 상용화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 'Advanced Energy Materials'(IF : 21.950, JCR 분야 상위 1.712%) 최신호에 게재됐으며 표지 논문(Inside cover)으로 선정·발행될 예정이다.