울산과학기술대학교 송명훈 교수 연구팀
국내 연구진이 고분자 태양전지의 문제점으로 꼽히는 낮은 효율과 안정성 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발해 화제다.
이번 연구 개발로 인해, 고분자 태양전지를 대면적으로 제작할 수 있을 뿐 아니라, 유연하게도 만들 수 있게 돼 차세대 태양전지로 각광받는 고분자 태양전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 울산과학기술대학교 송명훈 교수 연구팀이 주도하고, 한국과학기술원 및 전자부품연구원, 재료연구소, 울산대학교 등이 함께 참여했으며, 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 또한 이 연구 논문은 재료 및 응용분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)지 10월 4일자 온라인판에 게재됐다.
고분자 태양전지(Polymer Solar Cell)는 공액 고분자를 태양광 흡수체로 사용해 빛에너지를 전기에너지로 변화하는 소자로, 값싼 제작 비용과 형태 및 무게 등에 제약이 적어 유연한 소자를 구현할 수 있을 뿐 아니라, 스핀코팅 및 롤-투-롤(Roll-to-roll), 잉크젯 프린팅 방법 등과 같은 용액 공정을 통해 대면적화가 가능하므로 높은 생산성을 기대할 수 있다. 또한, 넓은 태양빛 스펙트럼의 흡수 영역을 위해 낮은 밴드갭을 갖는 고분자 도너 물질 개발과 소자의 최적화를 통해 효율이 계속 올라가고 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
하지만 기존의 상용 실리콘 태양전지와 비교하면, 소자의 안정성이 떨어지고 광전변환효율이 낮아 상용화에 어려움이 있었다. 일반적인 고분자 태양전지는 알루미늄과 같은 일함수가 낮은 금속을 전극으로 사용하고 강한 산성 물질로 ITO를 부식시키는 PEDOT:PSS 층을 정공 수송층으로 사용하기 때문에 소자 안정성이 낮은 데다, 상용화를 위한 발전 효율인 10%에도 아직 미치지 못하고 있는 것이 사실이다.
이러한 소자 안정성 문제를 해결하기 위해 국내외 많은 연구진들이 금, 은과 같은 높은 일함수를 갖는 전극을 사용하고 전하 수송층으로 금속 산화물을 사용하는 ‘역구조 고분자 태양전지’를 구현했지만, 전자 수송층의 전도대와 광활성층 중 전자 받게(Acceptor)의 최저 준위 비점유 계면 사이의 에너지 장벽이 크게 존재해 전자 수송이 어려웠다.
정공 수송층인 산화 몰리브덴과 광활성층 중 전자 주게(Donor)의 최고 준위 점유 분자궤도 계면이 옴접촉(Ohmic Contact)을 형성해 원활한 정공 수송을 방해하고, 이로써 전하의 수송 균형이 맞지 않게 돼 효율을 낮추기 때문이다. 많은 연구진들이 전하의 수송 균형을 맞추기 위해 전자 수송층과 광활성층 계면 사이에 자기조립 단분자막, 이온성 액체, 공액 고분자 전해질 등과 같은 선택적 계면 조절을 도입함으로써 보다 효과적인 전자 수송을 통해 소자 효율을 높이는 데 성공한 바 있다.
이번 연구팀은 나뭇잎 형태의 나노구조를 갖는 산화아연 전자 수송층 위에 극성용매를 처리해 고효율의 고분자 태양전지를 개발했다. 극성용매 처리를 통해 고분자 태양전지 효율을 기존 극성용매를 처리하지 않은 역구조의 유기 태양전지(6.71%)와 비교해 30% 향상된 8.69%까지 높일 수 있게 된 것이다. 보통 태양전지를 상용화하기 위해서는 빛을 전기로 바꾸는 광전변환효율이 10% 이상은 돼야 한다고 알려져 있다.
연구에 사용된 역구조 고분자 태양전지는 금이나 은 같은 공기 중 안정성이 높은 금속을 양극으로 사용해 소자의 안정성이 높은 반면, 효율은 낮다는 것이 단점이었다. 이에 연구팀은 박막 물질 코팅으로 전자 수송층과 광활성층 사이의 높은 에너지 장벽을 낮춰 전자의 수송을 도와 문제를 극복했다. 특히, 합성물질 대신 에탄올이나 메탄올 같이 흔히 사용되는 극성용매만으로 효율을 높인 점에서 주목을 받았다.
이번 연구에서 역구조 유기 태양전지의 효율을 향상시킨 근원은 전자 수송층인 산화 아연층에 에탄올아민(HOCH2CH2NH2)을 코팅할 경우 생기는 쌍극자 모멘트 유도에 의한 것으로, 이와 같은 극성용매 처리시 산화아연과 활성층 사이의 에너지 장벽을 줄이고 전자와 정공의 재결합을 방지함으로써 8.69%라는 매우 큰 변환 효율을 얻게 됐다.
특히, 전자 수송층인 산화 아연층에 에탄올아민 코팅시 어떻게 쌍극자 모멘트가 유도되는지는 학문적으로 중요한데, 에탄올아민 말단의 아민기 중 비공유전자쌍을 가진 N이 전이금속인 아연금속과 배위결합하게 되고, 또 다른 말단기인 수산화기(OH기)는 산화아연층의 산소원자와 수소결합을 이루게 돼 상대적으로 CH2CH2기는 소수성인 광활성층 쪽으로 향하며, 전기음성도의 차이에 의해 음성의 쌍극자 모멘트를 형성하게 된다. 이로써 산화 아연층의 전도대가 진공도와 가까워져 전자 수송층과 광활성층 사이의 에너지 장벽이 줄어들게 된다. 이 같은 결과는 자외광 전자 분광법을 통해 알 수 있었다.
기존의 경우 금속 산화물과 활성층 사이에 에너지 장벽을 줄이는 방법으로 자기조립 단분자막, 이온성 액체, 공액 고분자 전해질과 같은 물질을 사용해 왔다. 그러나 원하는 물질을 합성해야 하기에 번거로울 뿐 아니라, 효율이 크게 증가하지도 않았다. 따라서 이번 연구진은 이러한 번거로움을 해결함과 동시에 평소에 많이 사용하고 흔히 찾을 수 있는 메탄올, 에탄올, 에탄올아민 등과 같은 극성용매를 통해 간단하고 효과적인 선택적 계면 조절을 함으로써 소자효율을 크게 향상시켰다. 이 중에서도 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol)과 에탄올아민의 혼합 극성용매를 이용해 8.69%의 높은 소자 효율을 실현할 수 있었다.
연구팀이 2-메톡시에탄올과 에탄올아민의 혼합 극성용매를 사용한 이유는 에탄올아민의 경우 자체 점도가 매우 높기 때문으로, 잘 섞이고 끓는점이 낮고 점도를 낮출 수 있는 2-메톡시에탄올을 혼합해 산화아연 위에 표면처리했으며, 이 같은 극성용매 처리에 의해 전자 수송층과 광활성층 사이에 에너지 장벽을 낮출 수 있게 됐다.
이로써 효과적인 전자 추출과 수송이 가능하게 돼 전자 이동도가 향상됐으며, 접촉저항과 직렬저항이 감소함으로써 높은 소자효율을 이끌어 낼 수 있었다.
이번 연구 결과와 관련해 울산과기대 송명훈 교수는 “극성용매를 통한 선택적 계면조절 방법은 유기 태양전지의 효율 향상뿐 아니라, 유기 반도체 소자 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
송 교수의 말과 같이, 역구조 고분자 태양전지에 사용한 극성용매 처리법은 선택적 계면조절을 통해 높은 태양전지 효율을 나타낼 뿐만 아니라, 유기 발광소자(OLED), 유기 박막 트랜지스터(OTFT), 유기 레이저 다이오드(OLD) 등과 같은 유기 반도체 소자에도 사용할 수 있어, 이 분야에서 보다 성능이 향상된 소자를 개발할 수 있는 밑거름이 될 것으로 주목을 받고 있다.
Mini Interview
Q. 이번 연구의 개발 계기 및 성과는?
매우 간단하지만 실용적이고 유기 광전소자의 효율을 극대화할 수 있는 방법을 찾던 중 전자 수송층인 금속 산화물의 표면개질에 의해 태양전지의 효율을 극대화할 수 있음을 알게 됐다. 특히, 이번 연구의 경우 매우 값싸고 간단한 극성용매를 전자 수송층인 산화아연 위에 코팅함으로써 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있었다.
Q. 이번 연구를 통한 기대효과는?
향후 유기 태양전지, 유기 발광소자, 유기 트렌지스터 등 유기 광전소자에 사용 가능할 것으로 기대된다.
Q. 실용화를 위한 과제 및 소요 시간은?
이 기술의 실용화를 위해서는 장시간 소자 안정성이 절대적으로 중요하며, 관련 업체에서 장시간 소자 안정성을 테스트한 후에는 널리 사용될 수 있을 것으로 본다.
Q. 향후 개발 목표는?
이번 연구 결과가 유기 광전소자에 적용돼 널리 쓰일 수 있는 기술을 개발하는 것이다.
Q. 신진 연구자들을 위한 조언이 있다면?
이번 연구도 간단하지만 여러 가지 시도 후에 알게 된 성과다. 실패를 두려워하지 말고 연구를 꾸준히 하면 좋은 결과를 얻게 되리라 생각된다.
국내 연구진이 고분자 태양전지의 문제점으로 꼽히는 낮은 효율과 안정성 문제를 해결할 수 있는 기술을 개발해 화제다.
이번 연구 개발로 인해, 고분자 태양전지를 대면적으로 제작할 수 있을 뿐 아니라, 유연하게도 만들 수 있게 돼 차세대 태양전지로 각광받는 고분자 태양전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 울산과학기술대학교 송명훈 교수 연구팀이 주도하고, 한국과학기술원 및 전자부품연구원, 재료연구소, 울산대학교 등이 함께 참여했으며, 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐다. 또한 이 연구 논문은 재료 및 응용분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)지 10월 4일자 온라인판에 게재됐다.
고분자 태양전지(Polymer Solar Cell)는 공액 고분자를 태양광 흡수체로 사용해 빛에너지를 전기에너지로 변화하는 소자로, 값싼 제작 비용과 형태 및 무게 등에 제약이 적어 유연한 소자를 구현할 수 있을 뿐 아니라, 스핀코팅 및 롤-투-롤(Roll-to-roll), 잉크젯 프린팅 방법 등과 같은 용액 공정을 통해 대면적화가 가능하므로 높은 생산성을 기대할 수 있다. 또한, 넓은 태양빛 스펙트럼의 흡수 영역을 위해 낮은 밴드갭을 갖는 고분자 도너 물질 개발과 소자의 최적화를 통해 효율이 계속 올라가고 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
하지만 기존의 상용 실리콘 태양전지와 비교하면, 소자의 안정성이 떨어지고 광전변환효율이 낮아 상용화에 어려움이 있었다. 일반적인 고분자 태양전지는 알루미늄과 같은 일함수가 낮은 금속을 전극으로 사용하고 강한 산성 물질로 ITO를 부식시키는 PEDOT:PSS 층을 정공 수송층으로 사용하기 때문에 소자 안정성이 낮은 데다, 상용화를 위한 발전 효율인 10%에도 아직 미치지 못하고 있는 것이 사실이다.
이러한 소자 안정성 문제를 해결하기 위해 국내외 많은 연구진들이 금, 은과 같은 높은 일함수를 갖는 전극을 사용하고 전하 수송층으로 금속 산화물을 사용하는 ‘역구조 고분자 태양전지’를 구현했지만, 전자 수송층의 전도대와 광활성층 중 전자 받게(Acceptor)의 최저 준위 비점유 계면 사이의 에너지 장벽이 크게 존재해 전자 수송이 어려웠다.
정공 수송층인 산화 몰리브덴과 광활성층 중 전자 주게(Donor)의 최고 준위 점유 분자궤도 계면이 옴접촉(Ohmic Contact)을 형성해 원활한 정공 수송을 방해하고, 이로써 전하의 수송 균형이 맞지 않게 돼 효율을 낮추기 때문이다. 많은 연구진들이 전하의 수송 균형을 맞추기 위해 전자 수송층과 광활성층 계면 사이에 자기조립 단분자막, 이온성 액체, 공액 고분자 전해질 등과 같은 선택적 계면 조절을 도입함으로써 보다 효과적인 전자 수송을 통해 소자 효율을 높이는 데 성공한 바 있다.
이번 연구팀은 나뭇잎 형태의 나노구조를 갖는 산화아연 전자 수송층 위에 극성용매를 처리해 고효율의 고분자 태양전지를 개발했다. 극성용매 처리를 통해 고분자 태양전지 효율을 기존 극성용매를 처리하지 않은 역구조의 유기 태양전지(6.71%)와 비교해 30% 향상된 8.69%까지 높일 수 있게 된 것이다. 보통 태양전지를 상용화하기 위해서는 빛을 전기로 바꾸는 광전변환효율이 10% 이상은 돼야 한다고 알려져 있다.
연구에 사용된 역구조 고분자 태양전지는 금이나 은 같은 공기 중 안정성이 높은 금속을 양극으로 사용해 소자의 안정성이 높은 반면, 효율은 낮다는 것이 단점이었다. 이에 연구팀은 박막 물질 코팅으로 전자 수송층과 광활성층 사이의 높은 에너지 장벽을 낮춰 전자의 수송을 도와 문제를 극복했다. 특히, 합성물질 대신 에탄올이나 메탄올 같이 흔히 사용되는 극성용매만으로 효율을 높인 점에서 주목을 받았다.
이번 연구에서 역구조 유기 태양전지의 효율을 향상시킨 근원은 전자 수송층인 산화 아연층에 에탄올아민(HOCH2CH2NH2)을 코팅할 경우 생기는 쌍극자 모멘트 유도에 의한 것으로, 이와 같은 극성용매 처리시 산화아연과 활성층 사이의 에너지 장벽을 줄이고 전자와 정공의 재결합을 방지함으로써 8.69%라는 매우 큰 변환 효율을 얻게 됐다.
특히, 전자 수송층인 산화 아연층에 에탄올아민 코팅시 어떻게 쌍극자 모멘트가 유도되는지는 학문적으로 중요한데, 에탄올아민 말단의 아민기 중 비공유전자쌍을 가진 N이 전이금속인 아연금속과 배위결합하게 되고, 또 다른 말단기인 수산화기(OH기)는 산화아연층의 산소원자와 수소결합을 이루게 돼 상대적으로 CH2CH2기는 소수성인 광활성층 쪽으로 향하며, 전기음성도의 차이에 의해 음성의 쌍극자 모멘트를 형성하게 된다. 이로써 산화 아연층의 전도대가 진공도와 가까워져 전자 수송층과 광활성층 사이의 에너지 장벽이 줄어들게 된다. 이 같은 결과는 자외광 전자 분광법을 통해 알 수 있었다.
기존의 경우 금속 산화물과 활성층 사이에 에너지 장벽을 줄이는 방법으로 자기조립 단분자막, 이온성 액체, 공액 고분자 전해질과 같은 물질을 사용해 왔다. 그러나 원하는 물질을 합성해야 하기에 번거로울 뿐 아니라, 효율이 크게 증가하지도 않았다. 따라서 이번 연구진은 이러한 번거로움을 해결함과 동시에 평소에 많이 사용하고 흔히 찾을 수 있는 메탄올, 에탄올, 에탄올아민 등과 같은 극성용매를 통해 간단하고 효과적인 선택적 계면 조절을 함으로써 소자효율을 크게 향상시켰다. 이 중에서도 2-메톡시에탄올(2-Methoxyethanol)과 에탄올아민의 혼합 극성용매를 이용해 8.69%의 높은 소자 효율을 실현할 수 있었다.
연구팀이 2-메톡시에탄올과 에탄올아민의 혼합 극성용매를 사용한 이유는 에탄올아민의 경우 자체 점도가 매우 높기 때문으로, 잘 섞이고 끓는점이 낮고 점도를 낮출 수 있는 2-메톡시에탄올을 혼합해 산화아연 위에 표면처리했으며, 이 같은 극성용매 처리에 의해 전자 수송층과 광활성층 사이에 에너지 장벽을 낮출 수 있게 됐다.
이로써 효과적인 전자 추출과 수송이 가능하게 돼 전자 이동도가 향상됐으며, 접촉저항과 직렬저항이 감소함으로써 높은 소자효율을 이끌어 낼 수 있었다.
이번 연구 결과와 관련해 울산과기대 송명훈 교수는 “극성용매를 통한 선택적 계면조절 방법은 유기 태양전지의 효율 향상뿐 아니라, 유기 반도체 소자 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
송 교수의 말과 같이, 역구조 고분자 태양전지에 사용한 극성용매 처리법은 선택적 계면조절을 통해 높은 태양전지 효율을 나타낼 뿐만 아니라, 유기 발광소자(OLED), 유기 박막 트랜지스터(OTFT), 유기 레이저 다이오드(OLD) 등과 같은 유기 반도체 소자에도 사용할 수 있어, 이 분야에서 보다 성능이 향상된 소자를 개발할 수 있는 밑거름이 될 것으로 주목을 받고 있다.
Mini Interview
Q. 이번 연구의 개발 계기 및 성과는?
매우 간단하지만 실용적이고 유기 광전소자의 효율을 극대화할 수 있는 방법을 찾던 중 전자 수송층인 금속 산화물의 표면개질에 의해 태양전지의 효율을 극대화할 수 있음을 알게 됐다. 특히, 이번 연구의 경우 매우 값싸고 간단한 극성용매를 전자 수송층인 산화아연 위에 코팅함으로써 태양전지의 광전변환 효율을 향상시킬 수 있었다.
Q. 이번 연구를 통한 기대효과는?
향후 유기 태양전지, 유기 발광소자, 유기 트렌지스터 등 유기 광전소자에 사용 가능할 것으로 기대된다.
Q. 실용화를 위한 과제 및 소요 시간은?
이 기술의 실용화를 위해서는 장시간 소자 안정성이 절대적으로 중요하며, 관련 업체에서 장시간 소자 안정성을 테스트한 후에는 널리 사용될 수 있을 것으로 본다.
Q. 향후 개발 목표는?
이번 연구 결과가 유기 광전소자에 적용돼 널리 쓰일 수 있는 기술을 개발하는 것이다.
Q. 신진 연구자들을 위한 조언이 있다면?
이번 연구도 간단하지만 여러 가지 시도 후에 알게 된 성과다. 실패를 두려워하지 말고 연구를 꾸준히 하면 좋은 결과를 얻게 되리라 생각된다.
