고효율 유기태양전지 모듈 구조 개발

세계 최고 효율 7.5% 달성, 유기 태양전지 상용화 앞당겨

세계 최고의 효율(7.5%)을 기록한 유기태양전지 모듈의 효율을 측정하는 모습

□ 국내 연구진이 고효율 인쇄형 유기태양전지* 제작이 가능한 새로운 모듈*구조를 개발했다. 

* 유기태양전지: 플라스틱 같은 유기물을 광활성층의 주원료로 사용하는 태양전지

* 모듈 : 태양전지 발전 시스템에서 가장 작은 단위인 유기태양전지 단위 셀들이 직렬로 연결되어 구성된 것

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래부와 재단의 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업, 신산업창조프로젝트 사업의 지원을 받은 이광희 교수팀(광주과학기술원)이 유기태양전지 모듈에서 기존의 패턴공정을 생략하고 간단한 인쇄 공정만으로 유효면적*을 극대화할 수 있는 모듈 구조를 개발, 세계 최고의 모듈 효율 7.5%를 기록했다고 밝혔다.  

* 유효면적: 유기태양전지 모듈에서 광활성 영역(빛을 흡수하여 전하를 생성하는 영역)이 전체 면적에서 차지하는 비율

(그림 2) 기능층 패턴을 제거한 새로운 모듈 구조 및 인쇄 공정을 이용한 유기태양전지 모듈 제작 모식도. 모듈 제작 시 가장 먼저 패턴된 투명 전극 기판 위에 전자 수송층을 패턴 되지 않은 인쇄공정 장비를 통해 인쇄 하고, 그 위에 투명 전극과 상부 전극의 직렬연결 접촉 면적을 피해서 광활성층을 패턴 되어 있는 인쇄 공정 장비를 통해 인쇄 한다. 그 다음에 다시 패턴 되지 않은 인쇄공정 장비를 통해서 정공 수송층을 인쇄하고, 마지막으로 상부 전극을 직렬연결이 될 수 있도록 패턴된 형태로 올린다.

□ 유기태양전지는 기존의 실리콘 또는 화합물 반도체를 주원료로 하는 무겁고 부서지기 쉬운 무기물 태양전지와 달리 가볍고 유연한 특성과 더불어 신문을 찍어내듯 연속적으로 생산할 수 있는 인쇄 공정이 가능해 차세대 태양전지로 주목받았다. 하지만 인쇄 공정 시 수반되는 패턴 공정*으로 인해 유효면적 감소와 이에 따른 낮은 모듈 효율이 단점이었다. 

* 패턴 공정: 유기태양전지 모듈 제작에서 각 단위 셀들의 음극(-)과 양극(+)을 접촉시키기 위해 이를 연속 공정에 적합한 스트라이프 형태로 코팅하는 공정. 반복적인 패턴 공정은 빛 에너지에 반응하는 광활성 유효면적 감소를 통해 전체 모듈 효율을 감소시킴

(그림 3) 기능층 패턴을 제거한 새로운 모듈 구조에서 전하 이동 메커니즘. 광활성층(초록색)에서 빛 에너지를 받아 생성된 전자와 정공이 생성된다. 생성된 전하들 중 전자는 전자 수송층(파란색)을 지나 투명 전극(분홍색)으로 이동되고, 정공은 정공 수송층(노란색)을 지나 상부 전극(회색)으로 이동 된다. 이동된 전자 및 정공들은 직렬연결 부위에 형성된 재결합층(투명전극/전자 수송층/정공 수송층/상부 전극)에서 재결합 된다.

(그림 4)  인쇄 공정을 통해 제작된 대면적 유기태양전지 모듈(왼쪽). 한국에너지기술연구원에서 모듈 효율 7.5% 인증 (오른쪽)

□ 이광희 교수팀은 실험을 통해 유기태양전지 모듈 제작 과정에서 전자(음전하) 수송층과 정공(양전하) 수송층의 패턴 공정 없이도 단위 셀들을 직렬로 연결할 수 있음을 확인하였고, 간단한 슬롯다이* 인쇄 공정만을 통해 고효율 모듈 제작에 성공하였다. 

* 슬롯다이: 스트라이프 패턴 코팅이 용이한 인쇄 공정 장비

- 세계적인 학술지 네이처의 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)" 1월 5일에 게재된 이번 연구 논문은 현재까지 학계에 보고된 대면적 유기태양전지 모듈 중 가장 높은 효율을 기록했으며, 한국에너지기술원 공인 인증을 완료했다. 

(왼쪽부터) 이광희 교수, 강홍규 연구교수, 홍순일 박사과정생

□ 이번 연구 성과는 모듈 효율 향상 및 공정 단순화를 통해 저가 인쇄 공정에 적합한 새로운 대면적 유기태양전지 모듈 구조를 개발한 것으로, 미래 화석연료를 대체할 차세대 대체 에너지인 유기태양전지의 산업화를 한 단계 앞당길 것으로 기대된다.     <끝>

한국연구재단 ∙ GIST 대외협력팀