인쇄 공정 크게 줄인 유기태양전지 개발

- 공정 비용 절감으로 유기태양전자 상용화 촉진 기대 -

 

 

(그림1) 단순한 인쇄 공정을 통해 제작된 대면적의 적층형 유기태양전지 사진(맨 왼쪽). 나노혼합물을 이용해한 번의 인쇄 공정으로 기능층과 광활성층을 형성시키는 새로운 인쇄 기술을 개발했다. 이러한 인쇄 기술을 통하여 1cm2 의 유효면적을 지닌 대면적의 적층형 유기태양전지를 제작하였다. (왼쪽부터) 이광희 교수, 강홍규 연구교수, 김석 박사과정생. 

 

 

□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 “고효율의 인쇄형* 적층 유기태양전지** 제작 공정을 크게 줄인 새로운 인쇄 기술을 개발했다”고 밝혔다. 

* 인쇄형 : 값싼 용액 공정을 통해 롤에서 롤로 이동하면서 유기태양전지를 신문 인쇄하듯 찍어내는 형태

** 유기태양전지 : 플라스틱 같은 유기물을 광활성층의 주원료로 사용하는 태양전지

 

□ 이광희 교수 연구팀(광주과학기술원)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구) 등의 지원으로 연구를 수행했으며, 재료과학 분야 국제 학술지 어드밴스드 펑셔널 머테리얼즈(Advanced functional materials) 4월 30일자에 게재되었다.

 

  o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다. 

  - 논문명 : A Versatile Self-Organization Printing Method for Simplified Tandem Organic Photovoltaics 

  - 저자 정보 : 이광희 교수(교신저자, 광주과학기술원), 강홍규 연구교수(공동교신저자, 광주과학기술원), 김 석 박사과정(제 1저자, 광주과학기술원)

 

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

 

1. 연구의 필요성 

 

  ○ 유기태양전지*는 기존의 실리콘과 같은 무겁고 부서지기 쉬운 무기물 기반 태양전지와 달리 가볍고 유연하여 휴대하기 쉬운 장점이 있다. 또한 용액 공정*이 가능하여 값 싼 비용으로 신문을 찍어내듯 연속적으로 생산할 수 있는 넓은 면적의 인쇄 공정이 가능하다. 그래서 웨어러블 전자기기*와 휴대용 전자기기의 전원으로 사용 될 차세대 저가형 신재생 에너지원으로 각광받고 있다. 

 

  * 용액 공정 : 증착 공정과 같은 값 비싼 공정이 아닌 용액을 이용하여 저비용으로 박막을 코팅하여 소자를 제작하는 공정

  * 웨어러블 전자 기기 : 유연한 전자 부품으로 구성된 몸에 착용 가능한 전자 기기

 

  ○ 유기태양전지가 상용화 될 수 있는 광변환 효율을 만족시키기 위해 폭넓은 흡광 영역*을 지니는 적층형 유기태양전지가 개발되었다. 하지만 다층구조의 복잡한 공정은 인쇄 공정을 통한 고성능의 적층형 유기태양전지 개발을 지연시키고 있다. 

 

  * 흡광영역 : 태양 빛의 전체 파장 영역 중, 그 물질이 흡수 할 수 있는 빛의 파장대 영역

  * 적층형 유기태양전지 : 광변환 효율을 향상시키기 위해 두 개의 단일층 유기태양전지가 전기적으로 연결되어 적층된 형태

 

2. 연구내용 

 

  ○ 연구팀은 고분자 전해질인 폴리에틸렌이민(Polyethyleneimine, PEI)*와 광활성 물질을 혼합한 나노혼합물을 적층형 유기태양전지에 적용하였다. 나노혼합물은 구성하는 물질들 간의 표면 에너지 차이로 인해 자발적인 수직적 상 분리*가 발생했다. 그로 인해 기능층(PEI)*과 광활성층*을 한 번의 인쇄 공정으로 형성할 수 있었다. 

 

  * 폴리에틸렌이민 : 고분자 전해질로 일함수를 조절하는 양극 기능성층으로 이용됨

  * 상 분리 : 서로 다른 물질들을 혼합하면 각 물질들의 성질 차이로 인해 상이 나뉘는 것 

  * 기능층 : 광활성층에서 생성된 전자와 정공을 원활히 양쪽의 전극에서 수집하기 위해 사용되는 유기태양전지의 구성층 

  * 광활성층 : 빛을 받았을 때 전자와 정공을 생성하는 유기태양전지의 핵심 구성층. 여기서 생성된 전자와 정공은 양쪽의 전극에서 수집되어 전기를 생성함  

 

  ○ 일반적인 단일층 유기태양전지는 양 전극을 제외하고 3개 이상의 주요 구성층들로 이루어진다. 2개의 단일층 유기태양전지를 쌓은 형태인 적층형 유기태양전지는 6개 이상의 주요 구성층들이 필요하고, 이를 제작하기 위해 6번 (아래 소자 제작 과정 : 1)전자 수송층, 2)광활성층 박막 코팅 3)정공 수송층 박막 코팅 / 윗 소자 제작 과정 : 4) 전자 수송층, 5)광활성층과 6)정공 수송층 박막 코팅) 이상의 공정 단계가 필요하다. 반면 연구팀의 나노혼합물의 자가 조립 현상을 이용하면 1)과 2), 4)과 5) 공정이 각각 한 번의 인쇄 공정으로 가능하다. 때문에 총 4번의 공정 단계로 적층형 유기태양전지를 제작할 수 있어 제작 단가가 크게 절감할 수 있다. 

 

  ○ 또한 본 연구는 기능 물질(PEI)의 분자량과 나노혼합물 상 분리 현상의 관계를 규명하였다. 정적인 코팅방식의 인쇄 공정에서 기존에 사용되던 고분자량 PEI는 광활성 물질과 공간적인 방해가 존재하여 나노혼합물의 효과적인 상 분리가 어려운 것을 확인하였다. 이를 극복하기 위해 기존의 고분자량 PEI를 저분자량 PEI로 대체하여 PEI와 광활성 물질 간의 공간적인 방해를 완화시켜 나노혼합물의 자발적인 상 분리를 유도하였다. 

 

3. 연구 성과

  ○ 나노혼합물을 이용하여 제작된 적층형 유기태양전지는 세계에서 인쇄 공정으로 제작된 적층형 유기태양전지 중 가장 단순한 구조를 가진다. 또한 성능적인 측면에서는 9.1%의 높은 광변환 효율*을 달성하여 유기태양전지 상용화를 위한 효율 기준치인 비결정성 실리콘* 기반의 무기태양전지* 효율(최대 약 10%)에 근접하는 성과이다.  

 

  * 광변환 효율 : 빛에너지가 전기에너지로 전환되는 효율 

  * 비결정성 실리콘 : 격자 구조를 지니는 결정성 실리콘과 달리, 구성 원자가 무질서하게 배열되어 있는 실리콘 

  * 무기태양전지 : 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 장치로써 기존의 실리콘 또는 화홥물 반도체를 주원료로 사용하여 무겁고 부서지기 쉬운 특성을 지님.

 

  ○ 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 있다 

 

 * OLED 면광원 : 유기 물질을 기반으로 한 발광 소자로서, 전력 소비가 적다는 장점을 지님. 또한 용액 공정이 가능하여 저가 공정으로 대면적의 면광원 제작이 가능 

□ 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”라고 연구의 의의를 설명했다.     <끝>

 

 

미래부 ·  GIST 대외협력팀