기존 태양전지의 기술적 한계를 극복하고 고효율, 저가격 및 고내구성 모두를 만족하는 새로운 플랫폼의 무기-유기 하이브리드 이종 접합 태양전지 제조기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 한국화학연구원 석상일 박사(성균관대학교 에너지과학과 교수) 연구팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구실사업 및 한국화학연구원이 추진하는 KRICT2020사업의 지원을 받아 수행되었고, 연구결과는 ≪네이처 포토닉스Nature Photonics≫의 온라인 5월 5일 자에 게재됐다. 기존 태양전지 기술은 효율이 높지만 고가인 반도체 박막 태양전지, 효율이 비교적 높고 저가에 제조가 가능하지만 장기 안정성에 문제를 가진 염료 감응 태양전지, 저가로 제조가 가능하지만 광안정성이 매우 낮은 유기 태양전지가 있었다. 연구팀은 무/유기 소재의 장점과 나노구조의 장점 및 화학적 용액 공정의 장점을 결합하여 저가이면서 효율이 높고 내구성도 뛰어난 태양전지 제조를 위한 새로운 플랫폼 기술을 제시했다. 무기물로 구성된 나노구조의 광전극에 용액공정을 이용한 결정성 무/유기 하이브리드 소재를 광흡수체로 충진하고, 상부에 용액공정을 이용한 홀전도성 공액 고분자를 도입하는 매우 단순한 공정을 이용하여 이 분야 세계 최고인 효율 12% 이상의 태양전지를 제조할 수 있었다. 추후 제조공정의 최적화에 따라 효율 15% 이상도 기대할 수 있을 것으로 보인다. 공액 고분자는 폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리사이오펜과 같이 탄소와 탄소 사이가 이중결합과 단일결합이 교대로 형성된 구조를 가지는 고분자로 전기 전도성 및 반도체적 성질을 가져 발광 다이오드, 태양전지, 트랜지스터 등에 사용되는 물질이다. 기존 태양전지에 비해 화학적으로 쉽게 합성할 수 있는 저가의 소재를 사용하고, 그 소재를 유기용매에 용해하여 코팅하는 경제적이고 단순한 공정을 통해 제조단가 인하에 기여할 전망이다.

 

하이브리드 태양전지 제조 방식
 

무/유기 하이브리드 이종접합 태양전지는 투명전극(FTO)이 코팅된 유리 기판, 70㎚의 치밀한 TiO2 박막, 600㎚의 다공성 TiO2 박막(무기물질), CH3NH3PbI3 광흡수 물질(무/유기 하이브리드물질), Polytriarylamine(PTAA) (유기물질), Au 박막으로 이루어져 있다. 특징적으로는 다공성 TiO2 박막의 기공으로 CH3NH3PbI3 광흡수 물질이 침투하여 위치해 있으며 동시에 다공성 TiO2 박막 상부에 이들 물질이 섬(Island)형태로 위치해 있다는 것이다. 기존에 보고된 태양전지의 작동원리와 다르게 하이브리드 태양전지는 광흡수 물질인 CH3NH3PbI3가 2극성(Ambipolar)의 전기적 특성을 갖는 물질임을 밝히고 이 특성을 이용하여 CH3NH3PbI3가광을흡수함과동시에정공을전달하는 역할을 하게끔 설계하여 30㎚ 박막 형태의 PTAA란 유기 물질을 TiO2/CH3NH3PbI3 Composite의 Pillared Structure의 상부에 위치하게 함으로써 높은 광전변환성능지수를 구현할 수 있도록 되어있다. 한편, 이번 하이브리드 이종접합 태양전지에 관한 논문은 네이처지 4월호 ≪연구하이라이트(Research Highlight)≫에 소개됐다. 또한 ≪나노레터스Nano Letters≫지 4월호에도 주요 논문으로 소개됐다. 석상일 박사는“태양전지 제조의 핵심인 소재·구조, 공정에서의 장점을 유기적으로 결합하여, 차세대 태양전지의 꿈인 고효율·저가·고내구성 모두를 만족할 수 있을 뿐만 아니라 대면적이나 유연성 기판에도 쉽게 적용할 수 있는 플랫폼 기술”이라고 연구 의의를 밝혔다.