고품질의 대면적 용액공정 태양전지 핵심 소재 설계를 위한 원리 규명

향후 플라스틱 기반의 태양전지 페인트 기술로 활용 기대

손해정 책임연구원

고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심 디자인 원리를 제안함으로써 향후 용액공정 태양전지 개발이 가속화될 것으로 예상된다.”라고 말하며, “차세대 용액공정 태양전지의 고효율화뿐만 아니라 상용화에 필요한 대면적 제조를 위한 태양전지 소재의 핵심기술 개발에 기여하였다.”라고 밝혔다.

미래 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지 개발에 있어 한 가지 중요 사항은 공정 단순화를 통해서 태양전지의 가격 인하와 대량생산을 가능하게 하는 것이다.

더 나아가 어떤 공간에서든 간단한 색칠 정도만으로 누구나 태양전지를 쉽게 제작할 수 있어서 태양전지를 통한 전기에너지 생산의 보급 확대와 접근성을 넓히는 것이라고 할 수 있을 것이다. 페인트 방식의 칠을 통해서 태양전지 제작이 가능하다면 건물 외벽이나 자동차 등에 태양전지 설치를 위한 공간 제약이 사라질 수 있으며 저가 페인트 공급을 통해 에너지 빈곤층에 친환경에너지 공급이 확대되고 태양전지 패널의 유지 보수 및 폐기의 고비용 문제가 해결될 수 있다.

국내 연구진이 태양전지 원료의 용액을 코팅 후 고체화되는 속도를 제어하는 방법으로 고효율 용액공정 유기태양전지의 대면적화에 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 용액 공정상에서 유기태양전지 소재의 작은 면적과 큰 면적에서 필름 형성 기작의 차이점을 규명하고 이를 공정 기술상의 해결을 통해 고효율 유기태양전지 대면적화 기술을 개발했다고 밝혔다.

태양전지 소재를 페인트처럼 만들어 건물이나 자동차 등 원하는 공간에 칠하는 방식으로 쉽게 만들고, 전기를 자급자족하게 할 수 있다면 세계 에너지 빈곤층에 저가의 친환경에너지 공급이 가능해질 것이다. 그뿐만 아니라 도심 건물에 태양광 설치를 위한 공간 활용이 쉬워지고, 이상적으로는 필요시에 페인트를 덧바르는 형태로 태양전지 패널을 유지 보수할 수 있다.

이러한 태양전지 소재의 용액을 코팅하는 방식을 이용한 태양전지 생산 기술인 용액공정 태양전지는 전기를 생산하는 활성 영역이 매우 작은(0.1㎠ 이하) 실험실 수준에 머물러 있다. 실질적으로 전력생산이 가능한 넓은 면적으로 적용하면 소재와 공정에서 오는 한계로 태양전지의 성능감소와 재현성 문제가 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

KIST 손해정 박사팀은 상용화된 유기 소재가 쉽게 결정화되는 성질을 갖고 있어 대면적 용액공정에 부적합하다는 사실을 밝혔다. 산업용으로 쓰이는 대면적 용액공정은 태양전지 소재가 녹아 있는 용매가 증발하여 필름이 형성되는 속도가 느리기 때문에, 뭉침 등의 현상이 일어나 태양전지의 효율이 떨어지게 된다. 반면에 실험실 연구 단위에서 쓰이는 작은 면적용 공정인 스핀 코팅 방법의 경우 필름 형성 과정에서 필름을 빠르게 회전시켜 용매의 증발을 빠르게 진행시키기 때문에 이런 문제점 없이 고효율의 필름을 형성할 수 있다.

유기태양전지 광활성층 소재에 따른 대면적 용액공정 최적화 기술 개발

KIST 손해정 박사팀의 연구원((좌) 박소현 연구원, (우) 박성민 박사)들이 고효율 유기 태양전지의 대면적화에 성공, LED 전력 테스트를 하고있다.

KIST 손해정 박사팀에서는 스핀코팅을 활용한 용액공정 방식으로 대면적의 고효율 태양전지 기술을 구현했다.

KIST 연구진은 위 사실을 바탕으로 대면적 용액공정 방식에서 코팅 공정 후 용매의 증발속도를 제어하여 태양전지 성능에 최적화된 필름을 형성, 고성능 대면적 유기태양전지를 개발했다. 그 결과, 기존보다 태양전지 광전변환효율이 30% 상승한 9.6%의 고효율 대면적 유기태양전지 기술을 구현하였다.

KIST 손해정 박사는 “고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심 디자인 원리를 제안함으로써 향후 용액공정 태양전지 개발이 가속화될 것으로 예상된다.”라고 말하며, “차세대 용액공정 태양전지의 고효율화뿐만 아니라 상용화에 필요한 대면적 제조를 위한 태양전지 소재의 핵심기술 개발에 기여하였다.”라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’(IF: 16.602, JCR 분야 상위 4.088%) 최신 호에 게재되었다. 논문명은  ‘Development of highly efficient large area organic photovoltaic module: Effects of non-fullerene acceptor’이다. 제 1저자는 한국과학기술연구원 박소현 학생연구원과 박성민 박사후연구원, 교신저자는 한국과학기술연구원 손해정 책임연구원이다.