조길원 교수 연구팀, ‘나노복합박막’으로 효율 최대 4배 높여

연구성과

조길원 교수 연구팀, ‘나노복합박막’으로 효율 최대 4배 높여

2015-10-19 690

널뛰는 유기태양전지 성능 확 끌어올릴 새 범용 구조 제시

차세대 에너지소자로 주목받고 있는 ‘유기태양전지’는 그 가능성이 무궁무진하지만 다루기 어려운 물질 중 하나다. 유기태양전지에 사용되는 반도체 고분자는 물질마다 고유의 전기적․광학적 특성이 달라, 생성된 광전류를 손실 없이 얻기 위해서는 최적화 과정을 통해 매번 새로운 소자 구조를 개발해야 하는 부담이 있기 때문이다.

POSTECH 연구팀이 유기태양전지에 사용된 고분자 반도체 물질의 종류와 관계없이 광전환 효율^*1을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새 구조를 개발해 관련 학계에서 비상한 관심을 끌고 있다.

화학공학과 조길원 교수, 조새벽 박사 연구팀은 유기태양전지가 빛을 받아 생성한 전류는 미세한 전기장의 변화에 민감하게 반응한다는 점을 응용하여 유기태양전지 효율을 끌어올릴 수 있는 기술을 개발하고, 관련 논문을 재료과학분야 권위지 ‘어드밴스드에너지머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 9일자 표지논문으로 발표했다.

특히, 이번 연구 성과는 유기태양전지에 사용된 다양한 반도체 고분자마다 새로운 소자구조가 필요하다는 단점을 극복하고, 효율을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 범용 구조를 제안했다는 점에서 남다른 의미가 있다.

연구팀은 우선, 강유전성^*2 고분자를 이용하면 박막(薄膜) 내의 쌍극자^*3를 한 방향으로 정렬할 수 있다는 점에 착안하여, 반도체 고분자의 광활성층과 전극 사이에 ‘강유전성 나노복합박막’을 하나 더 만들었다. 이렇게 삽입된 막은 생성된 전자와 정공*4이 각각 양극과 음극으로만 흐르게 하는 전류의 ‘수도꼭지’ 역할을 하기 때문에 광전류의 손실을 최소화 할 수 있다. 이를 통해 수 밀리 초의 짧은 외부전기장을 서서히 더해주는 것만으로 소자 전체의 광기전력*5을 체계적으로 제어하고, 각 반도체 고분자 물질마다 최적의 광전류를 효과적으로 추출할 수 있다. 연구팀은 이 기술을 통해 기존 태양전지에 비해 생성된 광전하의 수명을 80%이상 늘리고, 효율은 최소 10%에서 최대 400%까지 높일 수 있음을 확인했다.

연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구 성과는 새롭게 개발되는 모든 유기반도체에 적용 가능한 소자구조의 모델을 처음으로 제안한 것”이라며 “이 연구를 바탕으로 고효율, 저비용의 인쇄용 플렉시블 유기태양전지의 개발에 기여할 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업인 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’의 지원을 받아 수행됐다.

[용어설명]

1. 광전환 효율(Photoconversion efficiency)

태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생하는데 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐른다. 이를 광전효과라 한다. 광전환 효율은 광전효과를 통해 태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 효과의 정도를 뜻한다.

2. 강유전성(强誘電性, ferroelectricity)

양전하와 음전하의 중심이 분리되어 결정체의 한쪽은 양, 다른 쪽은 음으로 대전되는 현상인 ‘자발분극’을 나타내는 부도체나 유전체의 특성. 즉, 적당한 전기장을 가해서 분극 방향을 바꿀 수 있는 특성을 의미한다.

3. 쌍극자(雙極子, dipole)

성질이 서로 반대이고, 크기가 같은 것이 극히 가까이에 있을 때 이것을 쌍극자라 한다. 전기 쌍극자, 자기 쌍극자 등이 있다.

4. 정공(正孔, hole)

반도체의 결정에서 자유전자(가전자)가 빠져나간 빈 상태의 구멍. 양의 전하와 양의 질량을 가진 입자처럼 행세하여 전기 전도의 캐리어가 된다.

5. 광기전력(光起電力, photoelectro-motive force)

반도체에 빛을 쬐어주었을 때, 발생하는 전압.