고효율 플렉시블 태양전지용 새로운 전도성 고분자 물질개발

- 태양전지 내의 핵심부분을 저온 공정이 가능한 신규 고분자 물질로 대체

- 구부렸다 펴도 성능이 유지되는 고성능·고안정성 플렉시블 태양전지 구현

  현재 웨어러블, 플렉시블 전자소자는 미래를 선도해갈 차세대 전자소자로 두각을 나타내고 있으며 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 여러 전자소자들 중 플렉시블 태양전지는 미래 웨어러블 기기 상용화의 핵심 기술 중 하나로 그 중요성을 인정받고 있다. 최근 국내 연구진이 높은 성능과 동시에 높은 안정성을 갖는 플렉시블 태양전지를 개발하였다.

  KU-KIST융합대학원(이관영 원장) 고민재 교수팀은 기존의 태양전지 내의 핵심부분 중 하나인 정공수송층*으로 널리 이용되던 물질(PEDOT:PSS**)을 대체할 수 있는 저온공정이 가능한 신소재 고분자 물질을 개발하였고 이를 사용하여 고성능·고안정성 플렉시블 페로브스카이트*** 태양전지를 개발하였다고 밝혔다.

※용어설명

*정공수송층 : 페로브스카이트에서 생성된 전하 중 정공이 페로스카이트에서 전극 쪽으로 원활하게 추출될 수 있도록 도움을 주는 층을 말한다.

**PEDOT:PSS : poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate의 약자로, 상업적으로 구매가 가능한 대표적인 전도성 고분자이다.

***페로브스카이트 : 유기물이 달린 양이온과 요오드화납 음이온이 결합되어 있는 물질로서, 최근 차세대 태양전지의 광 흡수층오로 많이 사용되는 반도체이다. 기존의 금속산화물로 이루어진 페로브사키으 결정구조와 유사한 구조를 갖는다.

 근래 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 분야는 급격하게 발전하여 향후 실리콘 태양전지와 경쟁을 할 수 있을 것이라 기대를 모으고 있다. 플렉시블 태양전지는 플라스틱 유연기판을 사용하기 때문에 150도 이하의 저온 공정이 필수적인데, 본 연구팀이 개발한 신규 고분자 물질은 저온에서 용액공정으로 제작이 가능한 플렉시블 태양전지에 더 적합한 물질이라고 볼 수 있다.

기존의 페로브스카이트 태양전지는 전극 사이의 경계면 층에 사용되는 물질들이 고온공정이 요구되어 플렉서블 소자 구현에 문제가 있었다. 최근 이를 극복하기 위하여 저온공정이 가능한 소자들이 제안되고 있으나 그 성능과 안정성 면에서 굉장히 제한적인 모습을 보이고 있었다. 가장 문제가 되고 있는 부분은 정공수송층으로 널리 쓰이는 PEDOT:PSS**이다. 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)는 상업적으로 구입이 가능하여 널리 이용되고 있었으나 강한 산성을 지니고 있어 인접한 층의 부식을 가속화 시키고 페로브스카이트와 적합하지 않아 많은 에너지 손실을 야기했다.

공동연구팀은 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 대체해 라는 신규 고분자를 개발하여 정공수송층으로 사용하였다. 이 고분자는 물 혹은 물/알콜 혼합용액에서 높은 용해도를 보여 저온에서 손쉽게 용액공정으로 정공수송층 제작이 가능하다. 또한 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것을 실험을 통해 확인하였고, 에너지 손실을 줄일 수 있음을 입증하였다. 이를 이용하여 제작된 페로브스카이트 플렉시블 태양전지는 최고 14.7%까지의 높은 전력변환효율을 기록하였다. 기존 물질을 이용한 소자가 8.4%의 전력변환을 보였다는 점을 감안하였을 때 이러한 효율은  물질의 우수함을 입증하는 결과라 할 수 있다.

또한, 물질은 기존과 달리 중성의 성질임을 확인하였으며, 이는 태양전지 소자의 안정성을 향상시켜 대기 중에서 장기안정성이 3~4배 향상된 결과를 도출하였다.

 이번에 개발된 신규 전도성 고분자 소재는 고효율 플렉서블 유-무기 페로브스카이트 태양전지의 성능 향상에 지대한 기여를 하였고, 향후 태양전지 외에 광센서 등 유연 인쇄전자 소자에 중요 부품으로 활용될 것으로 기대된다.

   연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(Impact Factor: 11.8, Wiley-VCH, Germany) 7월 5일자에 표지논문으로 게재되었다.

* 논문명 :  Improving Performance and Stability of Flexible Planar-Heterojunction Perovskite Solar Cells Using Polymeric Hole-Transport Material

* 논문정보 : Advanced Functional Materilas, 2016, 26, 4464-4471, DOI: 10.1002/adfm.201600746