“물 한방울 넣었을 뿐인데...” 유기태양전지 효율 확 높였다

[헤럴드경제=구본혁 기자] “물 한방울을 넣었을 뿐인데 대면적 유기태양전지의 효율과 안정성이 크게 높아졌다?”

광주과학기술원(GIST) 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.

도너-억셉터(Donor-Acceptor)란 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.

연구팀이 개발한 0~20마이크로리터(μL, 1백만분의 1리터)의 물을 이용한 수처리 공법은 이중층으로 형성된 물이 유기용매 내 섞이지 않은 작은 물방울 상태로 침투, 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 사용, 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 도입돼 향상된 소자 결과를 얻을 수 있음을 확인했다.

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.

한나라 박사과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구결과는 나노 및 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스’ 표지논문으로 선정돼 6월 23일 온라인 게재됐다.