이태우 교수팀, 어드밴스드 머터리얼스 통해 발표

화석연료를 대체할 것으로 기대를 모이는 태양전지는 끊임없이 많은 연구 성과가 나올 정도로 국가 뿐 아니라 학계가 주목하고 있는 연구분야다. 하지만 실리콘을 이용하는 태양전지는 효율은 20% 정도지만, 제조공정이 까다로워 가격이 비싸고, 보다 저렴한 소재를 이용하는 태양전지는 아직까지 그 효율이 상용화하기에는 효율이 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있다.

이러한 문제를 해결할 새로운 연구분야로 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특이한 구조의 금속물 ‘페로브스카이트(perovskite)’ 결정구조의 물질 ‘유기금속 할라이드 페로브스카이트’를 이용한 하이브리드 태양전지가 비용은 낮추면서 대량 생산이 가능한 기술로 주목을 모으고 있다. 이 태양전지는 지금까지 개발되고 있는 태양전지들에 비해 광전변환효율이 비약적으로 높을 것으로 기대되며 과학분야 권위지 중 하나인 사이언스(Science)를 통해서도 2013년 과학계 10대 혁신 기술로 선정되기도 했다.

POSTECH 신소재공학과 이태우 교수․박사과정 임경근씨, 울산과기대 김진영교수팀은 새로운 고분자 보조층을 이용해 높은 효율을 낼 수 있는 휘어지는(flexible) 유기금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지를 개발해 재료공학 권위지 중 하나인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지를 통해 발표했다.

이 기술은 고온공정이 필요없는 유연한 고분자 재료로 페로브스카이트 맞춤형 고분자 보조층을 개발, 기존의 방식에 비해 페로브스카이트 태양전지의 효율을 증가시켰을 뿐 아니라 휘어지거나 접히는 태양전지 분야의 상용화도 앞당길 수 있을 것으로 기대를 모은다.

기존의 방법은 금속산화물을 보조층으로 사용해 고온을 이용한 공정을 필요로 할 뿐 아니라, 취성(脆性)*1으로 인해 휘어지는 소자를 제작할 수 없다는 단점을 가지고 있어 이를 개선하기 위한 방법으로 고분자 보조층을 이용하는 방법도 제시되었지만, 이는 광전변환효율이 낮다는 단점을 가지고 있었다.

연구팀은 자가조립이 되는 전도성고분자 조성물을 이용해 자가조성 정공추출층(Seld-organized hole extraction layer, SOHEL)*2을 페로브스카이트 태양전지의 활성층에 적용했다. 특히 이 정공추출층은 박막 표면의 고분자 조성을 스스로 조절할 수 있는 특성을 가지고 있어 일함수(work function)*3를 페로브스카이트의 재료에 맞게 맞춤형으로 조절할 수 있어 태양전지가 빛을 흡수한 뒤 생산하는 전력의 ‘전위손실’이 없어져 효율을 극대화할 수 있다.

특히 이번에 개발된 자가조성 정공추출층은 페로브스카이트 재료의 종류에 상관없이 적용할 수 있기 때문에 향후 광범위하게 연구될 여러 재료들에도 적용가능하다는 장점을 가지고 있다.

연구팀은 이 기술을 이용, 기존 8.0%에 그쳤던 효율을 11.7%로 끌어올리는데 성공했으며 휘어지는 플라스틱 기판에도 적용할 수 있다는 사실을 보고했다.

이번 연구성과는 “휴대폰이나 태블릿 등 휴대용 전자기기의 전원으로 태양전지를 활용할 수 있는 가능성도 열었을 뿐 아니라, 경쟁적으로 연구되고 있는 페로브스카이트 태양전지 분야에서 우리나라가 세계 학계를 주도할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구팀은 밝혔다.

1. 취성

재료가 외력에 의해 영구변형을 하지 않고 파괴되거나 극히 일부만 영구 변형을 하고 파괴되는 성질을 말한다. 인성(靭性)과는 반대되는 성질이다.

2. 정공추출층

반도체 가전자대(價電子帶)의 빈자리로 양(陽) 전하를 가진, 전자처럼 움직이는 정공이 나오는 것을 의미한다. 유기태양전지의 구동원리에서는 정공이 광활성층으로부터 양극 쪽으로 빠져 나올 수 있도록 한다.

3. 일함수(Work Function)

물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 또는 에너지다. 열전자 방출량의 온도변화를 측정하거나 외부에서 빛을 비춰주어 광전자가 나오는 것을 확인하는 방법 등으로 구할 수 있다.