[첨단 헬로티]

한국과학기술연구원(이하 KIST) 연구진이 유기태양전지의 높은 효율과 동시에 높은 안정성을 갖는 태양전지를 구현할 수 있는 새로운 고분자 물질을 개발했다.

KIST 물질구조제어연구센터 백경열 박사팀은 유기태양전지의 핵심 구성요소인 정공수송층(Hole Transport Layer, 유기태양전지의 정공을 전달하는 역할을 하는 층)으로 널리 사용되는 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’를 대체할 수 있는 새로운 고분자 복합소재를 개발했다.

유기태양전지는 값이 저렴하고 대면적화가 비교적 용이하며 플렉서블한 태양전지 생산이 가능한 장점을 가지고 있다. 태양전지 내의 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층의 소재로 쓰이던 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’는 유기태양전지에 널리 사용되고 있지만 강한 산성수용액으로 인한 전극 분해현상, 제한된 용매사용, 낮은 전도성으로 인해 효율저하 및 짧은 수명을 야기해 이를 개선하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있었다.

KIST 백경열 박사팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 전도성을 가지는 블록공중합체와 카본소재를 복합화한 복합소재를 개발, 기존 정공수송층의 문제를 보완하면서 향상된 성능을 지닌 새로운 정공수송층 소재를 개발한 것.

KIST 연구진이 개발한 새로운 고분자 소재는 산성이 아닌, 중성상태에서 다양한 용매에 대한 용해도를 가지고 있어 용액기반 공정에 다양한 접근이 가능하고, 기존의 산성수용액에 의한 전극의 부식 현상을 극복함으로써 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있는 안정성을 부여 할 수가 있다.

새롭게 개발된 정공수송층 소재는 용액공정 이후에 간단한 열처리 공정을 통하면 전도성고분자의 도핑 현상을 유도함으로써 기존 정공수송층 소재와 유사한 일함수(5.1 eV)를 가지면서 기존 대비 5배 향상된 전기전도도를 가지는 것으로 나타났다.

또한 열처리 시 동시에 불용의 물리적 가교가 형성되어 추가적인 용액공정 시 높은 내화학성(물질이 화학적 물질이나 처리에 견디는 정도)을 가지는 장점이 있어 용액공정을 다변화와 유기태양전지의 성능 안정성과 에너지변환 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

KIST 백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 새로운 정공수송층 소재는 유기 태양전지 내의 정공수송층의 문제를 보완하면서 에너지변환 효율을 높일 수 있을 것으로 전망한다”라며, “향후 유기태양전지 뿐만 아니라 다양한 유기광전자소자에도 널리 활용 가능한 소재가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

▲(위) 전도성고분자를 기반으로 하는 블록공중합체와 카본 소재와의 복합화를 통해 얻어진 중성의 정공수송층 소재 모식도와 열처리 이후 도핑효과를 통해 얻어진 기존 정공수송층(PEDOT:PSS) 대비 유사한 일함수값과 5배 높아진 전기전도도.

(아래) 개발 소재의 중성적 특성으로 인하여 다양한 유기용매에 대한 용해도를 갖고 있으나 용액공정 이후 열처리로 인한 불용의 물리적 가교가 형성됨으로써 다양한 용액공정의 적용이 가능.