 물과 은 활용하는 태양전지 제조 기술
친환경 공정으로 효율 및 안정성 향상
태양광 패널에 중금속이 포함됐다는 ‘가짜 뉴스’가 전국을 강타한 적이 있었다. 하지만 카드뮴 중금속을 함유한 CdTe계 태양전지는 전 세계적으로도 사용이 미미할 뿐만 아니라, 국내에서는 아예 생산과 보급이 되지 않는다. 그럼에도 불구하고 계속 제기되는 태양광패널의 오염성에 대한 우려를 씻어낼 수 있는 친환경 제조기술이 속속 발표되고 있다.
정리 김경한 기자│자료 한국연구재단, 한국과학기술원, 고려대학교, 한양대학교
한국과학기술원(KAIST) 김범준 교수와 고려대학교 우한영 교수 공동 연구팀은 물을 기반으로 한 친환경 제작공정으로 유기 태양전지를 만들 수 있는 기술을 개발했다. 태양광 패널에 적용하는 유기 전자소자는 제작 공정에서 인체 및 환경에 유독한 할로겐 유기 용매가 필수적으로 사용되어 왔는데, 이를 물과 에탄올 같은 친환경 공정 용매로 대체할 수 있게 된 것이다.
한편, 한양대학교 방진호 교수 연구팀은 은 나노 입자를 이용해 태양전지의 안정성과 효율을 향상시킴으로써, 무독성 친환경성의 3세대 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당기는 초석을 마련했다.
물로 만드는 친환경 유기 태양전지
유해물질 차단 불필요…작업자 친화 공정
국내 연구진에 의해 유기 전자소자를 유독한 유기 용매 공정 없이 친환경적으로 제작할 수 있는 길이 열렸다. KAIST 생명화학공학과 김범준 교수와 고려대학교 화학과 우한영 교수 공동연구팀이 물 기반 친환경 공정 기술로 만들 수 있는 고성능 유기 태양전지 및 유기 트랜지스터를 개발했다고 한국연구재단이 발표했다.
기존까지의 유기 전자소자 제작 공정에서는 클로로포름, 클로로벤젠과 같이 인체·환경에 매우 유독한 할로겐 유기 용매가 필수적으로 사용돼왔다. 이를 대체하기 위한 연구로는 최근 상대적으로 독성이 약한 톨루엔, 자일렌과 같은 비할로겐 유기용매로 활용하려는 시도가 주로 진행되고 있다. 하지만 비할로겐 유기용매 역시 여전히 독성이 강한 용매이며, 실제로 전 세계적으로 국가적 차원에서 이 용매들의 사용을 엄격히 규제 혹은 금지하고 있는 추세다.
김범수·우한영 공동연구팀은 이를 해결하기 위해 물과 에탄올로 구성된 혼합용액에 잘 녹는 친수성 고성능 전도성 유기 소재를 개발함으로써 친환경 유기 전자소자 제작공정을 실현했다.
 [그림 1] 물-에탄올 혼합액에서 개발된 고분자 소재의 용해도 향상
이 고분자 소재는 에탄올, 물보다도 시중에서 구입 가능한 럼주(바카디 151°)에서 가장 잘 녹았다. 이 럼주는 물과 에탄올이 50:50 몰 비율로 혼합돼 있다. 이는 개발된 물-에탄올 공정의 인체 및 환경 친화성을 단적으로 보여준다. (a) ‘마실 수 있는 용매’바카디 럼주 (물 : 에탄올 = 50 : 50, 몰 비율) (b) 친환경 수용액 공정 기반 유기 태양전지
연구진에 따르면, 이 기술은 우연한 사건을 계기로 얻었다고 한다. 친환경 유기 전자소자 프로젝트로 에탄올을 공정 용매로 활용하는 연구를 진행하던 중, 재미있는 실험으로 시중에서 파는 바카디 럼주로 유기 전자소자를 제작해 보자는 발상에서 실험을 진행했다. 실제로 잘 작동하는 태양전지를 제작할 수 있었고, 실험이 모두 끝난 며칠 뒤에도 이 주류에서 전도성 소재의 용해도가 훨씬 높다는 시실을 발견했다. 이러한 우연한 발견으로부터 향상된 용해도의 원인을 찾아 나섰고, 럼주에 포함된 물이 중요한 역할을 한다는 것을 추정해 물-에탄올 공용매 연구를 시작하게 됐다.
이 연구에서는 물에 에탄올이 25% 이상 첨가된 공용매를 활용하면 올리고에틸렌 글리콜(oligoethylene glycol, OEG) 곁사슬을 포함하는 친수성 전도성 고분자의 용해도를 월등히 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 이에 따라 연구팀은 개발 소재에 올리고에틸렌글리콜 곁사슬을 포함시켰다. 이 소재가 순수한 물이나 순수한 에탄올에서 거의 녹지 않지만, 시중에 파는 술(럼주)과 같은 물-에탄올 혼합 용매에서 용해도가 130배나 향상되는 점에 착안했다.
이를 바탕으로 공동연구팀은 물과 에탄올로 구성된 혼합용액에 잘 녹는 친수성 고성능 전도성 유기 소재를 개발했다.
물, 에탄올의 순수 용매들은 OEG 기반 전도성 고분자를 거의 녹이지 못하는 용매임에도 불구하고 물과 에탄올을 혼합하면 용해도가 비약적으로 향상되는 것으로 분석됐다. 예를 들면, 이 연구에서 활용된 PPDT2FBT-A 고분자 도너는 2.3mg mL-1(에탄올)에서 최대 42.9mg mL-1(물:에탄올=50:50, molar ratio), PC61BO12 풀러렌 억셉터는 0.3mg mL-1(에탄올)에서 최대 40.5mg mL-1(물:에탄올=50:50, molar ratio)로 매우 향상된 용해도를 보였다.
이를 기반으로 수용액 공정에서 유기 태양전지와 유기 트랜지스터를 개발했을 때 높은 광전변환 효율과 전하 이동도를 지니고 있었다. 이 소재는 물 혹은 알코올 용해성 전도성 소재 기반의 유기 태양전지를 기준으로, 전 세계 최초로 2%가 넘는 광전변환 효율을 지닌다.
뿐만 아니라 우수한 대기 안정성도 확인됐다. 실제로 10일 이상 공기 차단막 없이 대기 중에 노출시켜도 효율이 거의 감소하지 않는 우수한 내구성을 보였다. 이러한 결과들은 물을 기반으로 한 인체·환경 친화형 유기 전자소자의 미래 상용화 가능성을 열어준 것이기도 하다.
특히 이 연구에서는 전 공정에 걸쳐 유독한 유기 용매를 전혀 사용하지 않았다. 박막 공정에서 반드시 필요한 유해물질 차단 장비(글로브 박스)가 불필요하고 작업자 친화적으로 소자 제작이 가능해졌다는 점이 주목할 만하다.
김범준 교수는 “이 연구는 지속가능한 인체·환경 친화적인 공정 기술의 개발이라는 측면에서 매우 중요하다”며 “앞으로 유기 전자소자 제작의 패러다임을 바꾸고, 기술의 실제 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노소재기술개발사업, 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 재료분야 국제학술지 「어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)」 지난해 12월 5일자 논문으로 게재됐고, 연구의 우수성을 인정받아 표지논문(Cover Image)으로 선정됐다.
은 나노 활용 태양전지의 안정성 향상
3세대 태양광 전환 시스템 촉진 기대
한양대학교 바이오나노학과 방진호 교수 연구팀은 은 나노 입자를 이용한 태양전지의 안정성을 확보하고 광전환 효율도 획기적으로 끌어올리는 기술을 개발했다.
 [그림 2] 개발된 은 나노클러스터의 구현 모식도 및 성능 비교(위) 산성도 제어를 통한 응집 유도 형광 증폭형 은 나노클러스터의 구현 모식도 (아래) 신개념 은 나노클러스터의 우수한 광전환 효율과 안정성
금 나노클러스터를 이용한 태양전지 시스템의 구현이 최초로 증명된 2010년 이래, 무독성 친환경 소재인 금(gold)이나 은(silver)을 활용한 신개념 3세대 태양전지 원천기술 개발에 대한 많은 관심이 모아지고 있다.
금 나노클러스터를 이용한 태양전지 시스템의 성공적인 구현과는 달리 은 나노클러스터를 기반으로 하는 태양전지의 구현은 지금까지 난제로 알려져 왔다. 은은 무독성이고 친환경적이며 빛을 잘 흡수하는 소재이기는 하나, 은 나노 입자의 경우에는 낮은 화학적 안정성과 짧은 여기 전자 수명이 걸림돌이 되고 있다. 여기 전자 수명(excited state lifetime)이란 빛에 의해 높은 에너지 상태로 이동된 전자가 이 상태에 머무르는 시간을 말한다.
금 나노클러스터보다 높은 흡광 계수를 갖는 물리적 특징과 저가의 장점을 고려할 때, 은 나노클러스터의 개발이 요구되나, 은 나노클러스터의 두 가지 한계를 극복할 수 있는 합성 기술의 부재와 광전극/전해질 계면에서 발생하는 각종 전자전이 및 재결합 현상에 대한 통합적인 이해의 부족으로 이 분야의 발전은 오랫동안 답보 상태에 있었다고 한다.
보편적으로 사용되는 은 나노클러스터의 한계는 응집 유도 발광(AIE) 현상을 구현할 수 있는 새로운 AIE-타입 은 나노클러스터 합성을 통해 은 나노 입자의 단점을 극복할 수 있었다. 이 은 나노클러스터는 기존 은 나노클러스터와는 달리 은-싸이올레이트 컴플렉스의 표면 응집을 통해 안정성을 대폭적으로 향상시키는 반면, 리간드-메탈 전하전이 현상을 촉진해 여기 전자의 수명을 크게 높일 수 있다.
이 연구에서는 용액의 pH의 변화에 따라 가역적으로 은-사이올레이트 콤플렉스의 응집을 제어할 수 있다는 새로운 사실도 규명했다.
AIE-타입 은 나노클러스터를 광감응 소재로 적용한 태양전지 시스템을 제작해, 기존 광전환 효율을 2배 가까이 끌어 올렸을 뿐만 아니라, 안정적으로 구동되는 시간을 수십 배 향상시켜 3세대 태양전지 시스템에서 새로운 가능성을 열게 됐다.
또한, 초고속 레이저 분광 분석과 전기화학적 임피던스 분석을 통해 광전극/전해질 계면에서의 복합적인 전하 전이 현상을 규명해 은 나노클러스터를 응용한 태양전지 시스템 개발의 초석을 마련할 수 있는 기초 연구 정보를 제공했다.
방진호 교수는 “금 나노클러스터에 이어 은 나노클러스터의 태양전지 응용 가능성을 확보함에 따라, 무독성 친환경 태양전지라는 새로운 개념의 3세대 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부·교육부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구, X-프로젝트, 대학중점연구소지원사업)의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 미국화학회의 저명한 국제학술지 ‘ACS 응용재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces)’에 4월 3일자 표지 논문으로 게재됐다.
 <Energy News>
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