공정 크게 줄인 유기태양전지…국내연구팀, 新인쇄기술 개발

↑ 단순한 인쇄공정을 통해 제작된 대면적 적층형 유기태양전지 <사진 = 미래창조과학부>

국내 연구팀이 값싼 용액공정을 통해 신문을 찍듯 만들어내는 ‘고효율 인쇄형 적층 유기태양전지’의 제작공정을 크게 줄인 새로운 인쇄기술을 개발했다.
유기태양전지는 기존의 실리콘과 같은 무겁고 부서지기 쉬운 무기물 기반 태양전지와 달리 가볍고 유연해 휴대하기 쉽다는 장점이 있다. 용액을 이용해 저비용으로 박막을 코팅하는 용액 공정이 가능해 값싼 비용으로 신문을 찍어내듯 연속적으로 생산할 수 있는 넓은 면적의 인쇄 공정도 가능하다. 유기태양전지가 웨어러블 전자기기와 휴대용 전자기기의 전원으로 사용될 차세대 저가형 신재생 에너지원으로 각광받는 이유다.
유기태양전지의 광변환 효율을 만족시키기 위해 물질이 흡수할 수 있는 빛의 파장대 영역인 흡광영역을 넓힌 적층형 유기태양전지가 개발됐다. 적층형 유기태양전지는 광변환 효율을 높이기 위해 두 개의 단일층 유기태양전지가 층층이 쌓인 형태로 돼있다. 문제는 인쇄 공정은 다층구조의 복잡한 구조에 적용하기가 어려웠다는 점이다.
광주과학기술원 이광희 교수 연구팀은 고분자 전해질인 폴리에틸렌이민(PEI)과 광활성 물질을 혼합한 나노혼합물을 적층형 유기태양전지에 적용했다. 나노혼합물은 구성하는 물질들 간 표면 에너지 차이로 인해 스스로 수직적인 분리현상이 일어났다. 이 성질을 이용해 다층구조를 만들어낼 수 있었다. 이번 연구성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머테리얼즈’에 지난달 30일 게재됐다.
일반적인 단일층 유기태양전지는 양 전극을 빼면 3개 이상의 주요 구성층으로 이뤄진다. 2개의 단일층 유기태양전지를 쌓은 형태인 적층형 유기태양전지는 6개 이상의 주요 구성층이 필요하다. 이를 제작하기 위해 6번 이상의 공정 단계가 필요하다.
반면 연구팀이 개발한 나노혼합물의 자가 조립 현상을 이용하면 6번의 공정 단계를 4번으로 축소할 수 있어 제작 단가를 절감할 수 있다.
이광희 교수는 “이번 연구성과는 인쇄 기법을 통해 고효율의 적층형 유기태양전지의 생산 공정 단계를 크게 줄여 단순화시켰기에 공정비용이 크게 절감될 것”이라며 “유기태양전지의 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다”고 연구의의를 설명했다.
[이영욱 기자]