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인쇄공정 대폭 단축 유기태양전지 개발
2016-06-01

인쇄공정 대폭 단축 유기태양전지 개발
공정비용 절감으로 유기태양전자 상용화 기대
미래창조과학부(장관 최양희)는 고효율의 인쇄형 적층 유기태양전지 제작공정을 크게 줄인 새로운 인쇄기술을 개발했다고 5월 3일 밝혔다. 인쇄형은 값싼 용액공정을 통해 롤에서 롤로 이동하면서 유기태양전지를 신문 인쇄하듯 찍어내는 형태를 말하며, 유기태양전지는 플라스틱 같은 유기물을 광활성층의 주원료로 사용하는 태양전지를 말한다. 이번 연구는 단순한 인쇄공정을 통해 적층형 유기태양전지를 개발함으로써 상용화의 가장 큰 걸림돌인 인쇄소자 효율을 크게 향상시켜 저가 인쇄공정을 통한 유기태양전지 개발의 가능성을 제시한 것이다. 자발적인 상 분리를 통해 유기 전자소자의 인쇄공정을 단순화시키는 기술은 차세대 전자제품인 구부러지는 유기 전자기기(구부러지는 스마트폰과 OLED 면광원) 등에 폭 넓게 응용되어 인쇄전자 분야의 발전에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

기존 유기태양전지의 복잡한 공정 단축
유기 태양전지는 무겁고 부서지기 쉬운 무기물 기반 태양전지와 달리 가볍고 유연해서 휴대가 쉬운 장점이 있다. 또한, 용액공정이 가능해서 값 싼 비용으로 신문을 찍어내듯 연속적으로 생산할 수 있는 넓은 면적의 인쇄공정이 가능하다. 따라서 웨어러블 전자기기와 휴대용 전자기기의 전원으로 사용될 차세대 저가형 신재생 에너지원으로 각광받고 있다. 유기태양전지의 상용화 조건 중 하나인 광 변환효율을 만족시키기 위해 폭넓은 흡광영역을 지니는 적층형 유기태양전지가 개발된 적은 있지만, 다층구조의 복잡한 공정은 인쇄공정을 통한 고성능의 적층형 유기태양전지 개발을 지연시키고 있다. 연구팀은 고분자 전해질인 폴리에틸렌이민(Polyethylen eimine, PEI)과 광 활성물질을 혼합한 나노 혼합물을 적층형 유기태양전지에 적용했다. 나노 혼합물은 구성물질들 간의 표면에너지 차이로 스스로 수직적 상분리가 일어났으며, 이로 인해 기능층(PEI)과 광 활성층을 한 번의 인쇄공정으로 형성할 수 있었다.
일반적인 단일층 유기태양전지는 양 전극을 제외하고 3개 이상의 주요 구성층으로 이루어진다. 2개의 단일층 유기태양전지를 쌓은 형태인 적층형 유기태양전지는 6개 이상의 주요 구성층이 필요하고, 이를 제작하기 위해 6번 이상의 공정 단계가 필요하다. 반면 연구팀이 개발한 나노 혼합물의 자가 조립현상을 이용하면, 총 4번의 공정단계로 적층형 유기태양전지를 제작할 수 있어 제작 단가를 크게 절감할 수 있다. 이번 연구는 기능 물질(PEI)의 분자량과 나노 혼합물상 분리현상의 관계를 규명했다. 정적인 코팅방식의 인쇄공정에서 기존에 사용되던 고분자량 PEI는 광 활성물질과 공간적인 방해가 존재하여 나노 혼합물의 효과적인 상분리가 어려운 것을 확인했다. 이를 극복하기 위해 기존의 고분자량 PEI를 저분자량 PEI로 대체하여 PEI와 광 활성물질 간의 공간적인 방해를 완화시켜 나노 혼합물의 자발적인 상 분리를 유도했다.



 
 
[그림 1] 단순한 인쇄 공정을 통해 제작된 대면적의 적층형 유기태양전지 사진
나노 혼합물을 이용하여 한 번의 인쇄 공정으로 기능층과 광 활성층을 형성시키는 새로운 인쇄기술을 통해
1㎠의 유효면적을 지닌 대면적의 적층형 유기태양전지를 제작했다.
 
 
전 세계 유기태양전지 중 가장 단순
유기태양전지 상용화 기간 단축 기대
나노 혼합물을 이용하여 제작된 적층형 유기태양전지는 인쇄공정으로 제작된 적층형 유기태양전지 중 전 세계에서 가장 단순한 구조를 가진다. 또한, 성능적인 측면에서 는 9.1%의 높은 광 변환효율을 달성하여 유기태양전지 상용화를 위한 효율 기준치인 비결정성 실리콘 기반의 무기태양전지 효율(최대 약 10%)에 근접하는 성과다. 나노 혼합물의 자발적인 상 분리를 이용하는 새로운 인쇄기술은 유기태양전지뿐만 아니라 이와 유사한 소자구조를 갖는 미래의 구부러지는 전자기기에 쓰일 유기 전계효과 트랜지스터와 OLED 면광원 등 전반적인 유기 전자소자의 제작공정에도 적용될 수 있다. 이광희 교수는 “이번 성과는 인쇄기법을 통해 고효율의 적층형 유기태양전지의 생산·공정단계의 단순화로 공정비용 절감과 유기태양전지의 상용화를 앞당기는데 크게 기여할 것으로 기대된다”고 설명했다.


이광희 교수




[그림 2］연구팀이 개발한 단순한 구조의 인쇄 적층형 유기태양전지 모식도
(a) 인쇄 적층형 유기태양전지 구조
(b) 적층형 유기태양전지의 에너지 준위 도표 : 자발적인 수직적 상 분리를 통해, 인듐틴옥사이드(ITO) 투명전극과 재결합층 계면위에 쌍극자를 형성해 소자의 이상적인 에너지 구조를 형성한 것을 확인할 수 있다.
(c) 고분해능 투과전자현미경을 통해 촬영된 인쇄 적층형 유기태양전지의 단면 사진 : 연속적인 인쇄 공정을 통해 제작된 적층형 유기태양전지는 구성 층간의 섞임 현상 없이 모두 균일하게 층을 이루고 있는 것을 확인했다.
(d) 적층형 유기태양전지 인쇄 공정 모식도
(e) 공정이 단순화 되는 개념적인 모식도 : 기능성 물질인 폴리에틸렌이민(PEI)와 광활성 물질로 구성된 나노 혼합물을 통해 앞·뒤 소자를 각각 인쇄하게 되면, 이를 구성하는 물질들의 표면 에너지 차이로 인해 자발적인 수직적 상
분리가 발생하여, 인듐틴옥사이드(ITO) 투명전극과 재결합층인 PEDOT:PSS위에 정전기적 인력에 의해 자가 조립된다. 일함수가 낮아지는 방향으로 형성된 쌍극자층은 각 경계면의 일함수를 낮추어서 인쇄 적층형 유기태양전지가
잘 작동할 수 있는 에너지 구조를 이루어낸다.


유기태양전지는 가볍고, 유연하여 휴대하기 쉽다는 장점이 있다. 특히, 넓은 면적의 유기태양전지는 용액공정을 통한 인쇄공정과 저렴한 비용으로 휴대용 전자기기, 군사 에너지원, 건물일체형 에너지원 등을 위한 차세대 저가형 신재생에너지원으로 각광받고 있다. 그러나 유기태양전지가 상용화되기 위해서는 비 결정실리콘 기반의 무기태양전지와 상응하는 광 변환효율을 보여야 한다. 하지만 유기 광 활성물질이 지니는 성질들(낮은 전하 이동도, 좁은 흡광영역)로 인해 단일층구조 유기태양전지는 상용화 될 수 있는 광 변환효율을 만족시키기는 어려운 실정이다. 이에 연구팀은 상용화기간 단축을 목표로 기존 적층형 유기태양전지 제작공정을 절반으로 줄이는 단순한 인쇄기술 개발을 추진한 것이다.
이번 연구는 광주과학기술원 이광희 교수 연구팀이 미래창조과학부 기초연구사업 등의 지원으로 수행됐으며, 재료과학분야 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 머테리얼즈(Advanced functional materials) 4월 30일자에 논문명(A Versatile Self-Organization Printing Method for Simplified Tandem Organic Photovoltaics)으로 게재됐다.

[그림 3］연구팀이 개발한 단순한 구조의 적층형 유기태양전지 성능
(a) 개발한 소자의 전류-전압 특성 : 본 연구진이 개발한 인쇄 적층형 소자는 9.1%의 뛰어난 광 변환효율을 달성했다.
(b) 소자의 깊이에 따른 원소 성분 분석 : 기존의 고분자량 폴리에틸렌이민(PEI)을 저분자량 PEI로 대체하여 인쇄공정을 통해 PEI와 광활성 물질간의 공간적인 방해를 완화시켜 나노 혼합물의 자발적인 상 분리를 유도했다.
<용어 설명>
1. 어드밴스드 펑셔널 머테리얼즈(Advanced Functional Materials) 誌
Wiley에서 발간하는 세계적인 저널로 재료공학 분야를 다루고 있다. Thomson JCR 2014년 기준 ImpaFcat ctor 11.8.Wiley에서 발간하는 세계적인 저널로 재료공학 분야를 다루고 있다. Thomson JCR 2014년 기준 ImpaFcat ctor 11.8.
2. 광 변환효율(Power conversion efficiency)
태양에너지가 전기에너지로 전환되는 효율
3. Polyethyleneimine(PEI)
비 공액 고분자 전해질로서 일함수를 조절하는 양극 기능성층으로 이용됨
4. 재결합층(recombination layer)
서로 다른 광 활성층에서 생성된 전자와 정공의 재결합이 발생하는 층
5. 일함수(work function)
물질 내에 있는 전자 하나 - 폴리에틸렌이민 : 고분자 전해질로 일함수를 조절하는 양극 기능성층으로 이용됨
6. 기능층
광활성층에서 생성된 전자와 정공을 원활히 양쪽의 전극에서 수집하기 위해 사용되는 유기태양전지의 구성층
7. 비결정성 실리콘
격자 구조를 지니는 결정성 실리콘과 달리, 구성 원자가 무질서하게 배열되어 있는 실리콘
8. OLED 면광원
유기물질을 기반으로 한 발광소자로, 전력소비가 적다는 장점을 지님. 또한 용액 정이 가능하여 저가공정으로 대면적의 면광원 제작이 가능하다.

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