물방울 하나로 대면적 유기태양전지 효율 높였다

물방울 하나로 대면적 유기태양전지 효율 높였다

- 유기활성용액 내 소량의 물 도입하는 친환경 공법 개발로 고효율 대면적 유기태양전지 구현

- 신소재공학부 김동유 교수팀, Advanced Functional Materials 표지논문 게재

□ 지스트(광주과학기술원) 연구진이 소량의 물을 이용해 대면적 유기태양전지*의 효율과 안정성을 향상시킬 수 있는 친환경 공법을 개발했다. 

  ∘ 인쇄 공정을 포함한 유기태양전지 제작 과정에서 용액 내 분산 상태*를 쉽게 제어할 수 있는 기술로, 고효율·고안정성의 대면적 유기태양전지 대량생산 및 실용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.

    * 유기태양전지: 태양광을 흡수하는 광활성층에 유기 반도체 물질을 사용해 제작하는 태양전지. 광활성층 내 전하를 생성해 중간층 및 전극을 통해 전류가 생산된다. 무기태양전지에 비해 저온 용액 공정이 용이하고 가벼우면서도 유연하며 비교적 투명한 필름을 가지는 것이 특징이다. 최근 소면적 유기태양전지에서 20%에 가까운 높은 광전효율이 보고되며 실용화를 위한 연구가 빠르게 진행되고 있다.

    * 분산 상태: 하나의 물질 속에 다른 물질이 미립자 상태로 떠다니는 것

□ 유기태양전지의 광전환 효율 및 소자 안정성을 높이기 위해서는 광활성층 내 도너-억셉터*의 분산 상태를 제어해 최적의 박막 형태를 구현하는 것이 매우 중요하다.

    * 도너-억셉터(Donor-Acceptor): 유기태양전지 내 광활성층을 이루는 물질로, 전자가 풍부한 ‘도너(Donor)’ 물질과 전자가 부족한 ‘억셉터(Acceptor)’로 구성돼 있다. ‘도너’는 태양빛을 받아 전자를 만들어 보내고, ‘억셉터’는 도너에서 전자를 받아 분리되며 전류가 생산된다.

  ∘ 특히 도너-억셉터 사이의 경계면에서 전류로 전환 가능한 전자와 정공 쌍으로 이루어진 엑시톤(exciton)*을 안정적으로 발생시키기 위한 연구와 박막 형태를 최적화하기 위한 첨가제 도입 등 추가 처리 공법을 도입하는 연구 등이 활발히 진행되고 있다. 

    * 엑시톤: 여기된 상태에서 전자와 정공이 쌍을 이루어 속박된 상태를 이루는 것을 의미한다. 유기태양전지의 경우, 엑시톤인 전자와 정공이 분리되며 전극으로 흘러 전류가 생성된다.

  ∘ 하지만 이러한 방법들은 대부분 소면적 유기태양전지에 적용된 것으로, 대면적 유기태양전지 제작을 위한 인쇄 공정에 동일하게 적용했을 때 큰 효과를 발휘하지 못하거나, 열·빛·공기에 노출된 외부환경에 영향을 받아 효과를 지속하지 못하는 한계가 있다. 

□ 지스트 신소재공학부 김동유 교수 연구팀은 대면적 유기태양전지 제작 및 준비과정에서 대기 시간 동안 발생하는 도너-억셉터 물질의 과한 응집을 억제하고 최적의 활성층 박막을 얻기 위해 소량의 물을 이용한 처리 공법을 개발했다.

  ∘ 연구팀이 개발한 0-20마이크로리터(μL, 1백만분의 1리터)의 물을 이용한 수처리 공법은 이중층으로 형성된 물이 유기용매 내 섞이지 않은 작은 물방울(droplet) 상태로 침투하며, 물방울 주변에 작은 소용돌이를 유발해 유기용매 내 도너와 억셉터의 응집을 억제해주는 역할을 한다.

  ∘ 수처리 공법은 독성 유기용매 기반의 첨가제를 사용하지 않기 때문에 대면적 유기태양전지의 효율 및 안정성 향상을 위한 친환경 처리 기술이다. 

□ 연구팀은 대면적 유기태양전지 및 모듈을 제작하기 위해서 슬롯 다이 프린팅* 방법을 사용하였으며, 이를 통해 소면적 유기태양전지(0.1 cm2)는 최고 13.06%, 대면적 유기태양전지 모듈(10 cm2)은 최고 11.92% 효율을 달성하였다. 활성 면적 증가에도 개발된 기술이 성공적으로 도입되어 향상된 소자 결과를 얻을 수 있음을 확인했다.

   * 슬롯 다이 프린팅(slot-die printing): 면적이 넓은 칼날을 이용해 액적의 맺힘 형태를 유지하며 일정 두께의 박막을 인쇄하는 방법이다. 용액 주입 및 인쇄 속도 등에 따라 다양한 형태 및 두께로 박막 특성을 제어할 수 있어, 최근 대면적 유연 전자 소자를 제작하기 위해 사용되고 있다.

□ 김동유 교수는 “수처리 과정 내 발생하는 미세 소용돌이를 이용해 용액과 필름 상태의 도너-억셉터 분산 상태 모두를 자유자재로 제어할 수 있게 된 것이 이번 연구 성과의 가장 큰 의의”라며 “향후 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정이 도입된 대면적 태양전지의 제작과 실용화를 위한 원천 기술을 확보한 것으로 대량생산 기술의 실용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”라고 말했다.

□ 신소재공학부 김동유 교수(교신저자)가 주도하고, 한나라 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업(도약연구, 후속연구지원) 및 지스트 차세대에너지연구소(RISE) 고유과제인 ‘생활밀착형 유연·반투명 태양전지 개발 과제’의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 나노 및 재료 분야의 권위적인 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials, IF: 19.924)’에 프론트 표지 논문으로 선정됐으며 6월 23일 온라인 게재됐다.  <끝>

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용어 설명

1. 유기태양전지 (Organic Solar Cells)

 ○ 태양광을 흡수하여 광활성층 내 전하를 생성하며, 중간층 및 전극을 통해 전류가 생산되는 소자를 의미한다.

2. 도너/억셉터 (Donor/Acceptor)

 ○ 유기태양전지 내 광활성층을 이루는 물질로, 전자가 풍부한 도너 물질과 전자가 부족한 억셉터가 사용된다. 도너는 태양광을 받아 전자를 만들어 보내고 억셉터는 도너에서 전자를 받아 분리되며 전류가 생산된다.

3. 슬롯 다이 프린팅 (Slot-Die Printing)

 ○ 면적이 넓은 칼날을 이용해 액적의 맺힘 형태를 유지하며 일정 두께의 박막을 인쇄하는 방법이다. 용액 주입 및 인쇄 속도 등 세부 실험 조건을 제어하여 다양한 형태 및 두께로 박막 특성을 제어할 수 있어, 최근 대면적 유연 전자 소자 제작을 위해 많이 사용되고 있다.

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논문 및 저자 정보

1. 논문명, 저자정보 

 - 논문명 : Introduction of Water Treatment in Slot-Die Coated Organic Solar Cells to Improve Device Performance and Stability

 - 저자 정보 : 한나라(제1저자, GIST 신소재공학부 박사과정), 허윤정(GIST 신소재공학부 졸업), 이민우(GIST 신소재공학부 석박사통합과정), 문이나 (GIST 신소재공학부 박사과정), 양동성(GIST 신소재공학부 박사과정), 김윤슬(GIST 신소재공학부 졸업), 김동유(교신저자, GIST 신소재공학부 교수) 

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- 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials, IF: 19.924)’에 프론트 표지 논문으로 선정