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녹슬고 오염되는 유기태양전지 소자, 불소 도핑 그래핀으로 해결

최윤식 기자

등록 2014-07-09 14:36


유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 화학적인 합성을 통해 재료를 대량 생산할 수 있고, 가볍고 유연할 뿐만 아니라, 환경오염이 없기 때문에 차세대 에너지원으로서 각광을 받고 있다. 그러나 상대적으로 낮은 발전 효율과 오래 사용할 경우 안정성이 낮아 상용화에 어려움이 있었다. 국내 연구진이 그래핀에 불소를 넣어 유기태양전지의 안정성을 획기적으로 개선한 전지를 개발했다. 관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 나노분야의 권위지인 Nanoscale의 권미표지 논문을 장식했다.

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사팀은 전북대 유연인쇄전자공학과 나석인 교수팀과 함께 차세대 탄소재료 중 하나인 그래핀을 이용하여 발전 효율을 유지하면서, 안정성을 강화한 유기태양전지를 개발했다. 이번 연구 성과는 나노기술 분야의 권위지인 영국왕립화학회지의 나노스케일(Nanoscale)에 "Fluorine functionalized and simultaneously reduced graphene oxide as a novel hole transporting layer for highly efficient and stable organic photovoltaic cells"의 제목으로 게재되었으며, 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 7월 7일자 권미 표지논문으로 선정되었다.

유기태양전지를 구성하는 소재 중 전자가 빠진 부분을 정공(Hole)이라고 부른다. 정공이 +, - 양쪽 전극으로 잘 전달될 수 있도록 돕고 전자의 역전류를 막아주는 층이 정공 수송층인데, 이 정공 수송층의 재료로 고분자 물질인 피닷피에스에스 (PEDOT: PSS (Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) 가 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 이 재료는 산성이 강한데다 수분을 좋아하는 성질이 있어, 공기 중의 수분을 흡수하여 전극을 부식시키거나 활성층(active layer)을 오염시켜 유기태양전지의 안정성이 떨어지는 단점이 있다.
* 정공 수송층 (HTLs, hole transporting layers): 광자(photon)를 받아 활성층에서 분리된 전자(electron)와 정공(hole) 중, 정공이 양극(anode)으로 잘 전달될 수 있도록 돕고 전자의 역전류를 막아주는 층.
* 활성층 : 빛이 태양전지에 들어가면 광자 에너지를 받아 전자와 정공으로 분리가 되는데 이것을 분리시켜주는 층

공동 연구팀은 유기태양전지 정공 수송층에 PEDOT:PSS 대신 ‘불소 도핑 그래핀’을 투명 전극재료인 ITO(indium tin oxide) 기판에 회전시켜 골고루 뿌리는 방법으로 코팅했다. 이를 유기태양전지에 적용할 경우, 기존 물질로 제작한 전지와 발전효율은 동일하면서도 안정성은 약 5배가량 개선되었다. 개발된 ‘불소 도핑 그래핀’은 다양한 다양한 용매에서 높은 분산성을 보여 고농도 그래핀 용액의 제조가 가능하며, 단순한 용액공정으로 쉽고 대량으로 생산이 가능하다.

KIST 조한익 박사는 “불소가 도핑된 그래핀은 용액 안정도가 커 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”며, “차세대 재료와 에너지 소자인 그래핀과 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다.

이번 연구는 미래창조과학부 신진연구자과제와 KIST 기관고유연구사업에서 지원되었다.


1. 나노스케일(Nanoscale)
영국왕립화학회(RSC, Royal Society of Chemistry)에서 발행하는 나노 분야의 세계적인 학술지이다(피인용 지수, IF=6.233, 2013년). 물리, 화학, 바이오, 의학, 재료, 에너지/환경, 정보기술 등의 다방면에서의 나노 과학 및 기술에 대한 실험적, 이론적 연구 결과를 다룬다.

2. 그래핀(Graphene)
탄소 동소체로서, 탄소 원자들이 벌집모양의 육각형 결정으로 연결되어 원자 한 층의 두께를 가지는 2차원적 평면 구조를 지닌 물질이다. 실리콘에 비해 100배 빠른 전자 이동도, 97.7%에 달하는 높은 투명도 및 우수한 기계적, 물리적, 화학적 특성들을 보여 ‘꿈의 신소재’라 불린다. 2004년 영국 멘체스터 대학의 안드레 가임(Andre Geim)과 콘스탄틴 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 교수진에 의해 흑연에서부터 그래핀으로의 박리가 최초로 성공하게 되면서, 이에 대한 폭발적인 연구가 행해지고 있다.

3. 유기태양전지(Organic solar cell)
태양전지란 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서 특히 유기태양전지는 실리콘 태양전지, 박막태양전지에 이어 3세대 태양전지에 속하는 신기술에 해당하며, 크게 유기(고분자)반도체와 염료감응형 태양전지로 구분된다. 1세대 태양전지인 실리콘 태양전지는 고효율을 무기로 현재 태양전지 시장의 80~90%를 점유하고 있다. 이에 비해 아직까지 유기태양전지는 효율이 낮으나 유기물이 제공하는 가격경쟁력, 공정의 유연성 및 응용 가능성이 높다는 장점을 가진다.
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