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

한국연구재단은 최근 광주과학기술원 신소재공학부 이광희 교수팀이 유기태양전지 모듈에서 기존의 패턴 공정을 생략하고 간단한 인쇄 공정만으로 유효 면적을 극대화할 수 있는 모듈 구조를 개발, 세계 최고의 모듈 효율 7.5%를 기록했다고 밝혔다. 

유기태양전지는 기존 실리콘 또는 화합물 반도체를 주원료로 하는 무기물 태양전지와 달리 가볍고 유연한 특성으로 인해 주목받아왔다. 또 신문을 찍어내듯 연속 생산할 수 있는 인쇄 공정이 가능하다는 이점으로 인해 차세대 태양전지로서의 잠재력을 갖췄지만 인쇄 공정 시 수반되는 패턴 공정으로 인해 유효 면적 감소와 이에 따른 낮은 모듈 효율이 단점으로 남아있었다.

패턴 공정은 유기태양전지 모듈 제작에서 각 단위 셀들의 음극(-)과 양극(+)을 접촉시키기 위해 이를 연속 공정에 적합한 스트라이프 형태로 코팅하는 공정을 뜻한다. 반복적인 패턴 공정은 빛 에너지에 반응하는 광활성 유효 면적 감소를 통해 전체 모듈 효율을 감소시킨다.

연구진은 실험을 통해 유기태양전지 모듈 제작 과정에서 전자(음전하) 수송층과 정공(양전하) 수송층의 패턴 공정 없이도 단위 셀들을 직렬로 연결할 수 있음을 확인했으며 간단한 슬롯다이 인쇄 공정만을 통해 고효율 모듈 제작에 성공했다고 밝혔다.

이광희 교수는 “신규 모듈 구조를 고안했지만 이를 인쇄 공정을 통해 구현하는 것은 몹시 어려운 일이었다”며 “인쇄 공정 파라미터들을 하나하나씩 연구해나가면서 신규 모듈 구조에 최적화된 공정 조건을 찾아내 이를 계기로 고효율의 유기태양전지 모듈 개발에 성공할 수 있었다”고 전했다.

연구진은 유기태양전지 모듈 개발이 유기태양전지 산업화를 위해 중요한 요소임을 인지해 연구에 본격 착수했다. 또 기존 유기태양전지 모듈 구조를 개선하기 위해 전자 수송층과 정공 수송층의 패턴이 없는 모듈 구조를 생각하게 돼 인쇄 공정 기술과 융합해 연구를 진행했다.

이광희 교수는 “이번 연구를 위한 핵심 아이디어인 신규 모듈 구조는 4년 전에 구상됐지만 인쇄 공정 기술이 그 당시 개발 되지 않아 연구가 2년간 중단됐다가 다시 시작한 후 현재 성과에 이르게 됐다”며 “실질적으로 산업화에 적용할 수 있는 인쇄 공정을 통한 고효율의 유기태양전지 개발 연구라는 점에서 이번 연구가 시사하는 바는 크다”고 연구 성과에 대해 설명했다.

연구진은 “신규 모듈 구조를 적용한 유기태양전지를 인쇄 공정으로 구현하기 위해 슬롯다이 및 닥터블레이드 인쇄 공정을 최적화했으며, 이를 통해 인쇄 공정을 이용한 대면적 유기태양전지 신규 모듈을 개발할 수가 있었다”고 밝혔다. 

유기태양전지 신규 모듈 구조가 개발됨으로써 그동안 실험실 단위의 작은 소자 효율에 비해 낮은 대면적 유기태양전지 모듈 효율을 향상시킬 수 있고, 공정도 단순해져 저가 인쇄 공정에 적합하게 될 전망이다. 더 나아가 유기발광다이오드 유기트랜지스터 등 플라스틱 전자 분야 모두 적용 가능한 기술이므로 동반 발전이 기대된다.

이번 연구 성과는 네이처의 자매지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐다.