울산대 연구팀, 저비용·고효율 유기태양전지 기술 개발

울산대 물리학과 석사과정 노성호씨(앞쪽)와 조신욱 교수(뒤쪽)가 물리학과 유기전자물리실험실에서 원자현미경(AFM)을 이용한 표면특성 분석과정에 대해 이야기를 나누고 있다. [사진제공=울산대]

아주경제 정하균 기자= 울산대는 물리학과 조신욱 교수연구팀이 그동안 낮은 발전효율로 상용화가 어려웠던 유기태양전지의 단점을 극복하는 원천기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

유기태양전지는 유연하고 가벼울 뿐만 아니라 공정단가가 낮고 제작과정도 단순해서 미래 플렉서블(flexible: 잘 구부러지는)·웨어러블(wearable: 착용형) 전자기기의 구동 에너지원으로 주목 받는 차세대 에너지 소자이지만, 실리콘 기반의 무기태양전지에 비해 발전효율이 크게 떨어지는 단점이 있었다.

연구팀은 이 같은 단점을 개선하기 위해 기존 역구조 유기태양전지의 전자수송층으로 사용되는 산화아연(ZnO)층에 알칼리 메탈 카보네이트 물질을 첨가해 전자수송 능력을 증가시키는 방법으로 기존보다 15% 정도 전기생산효율을 향상시켰다.

또 더 많은 빛의 흡수를 유도하기 위해 계면에서 입사된 빛을 산란시키는 주름구조를 산화아연 전자수송층에 도입하고, 기존에 첨가하고자 하는 도핑 물질을 박막형성 전 산화아연 용액에 미리 혼합해 도핑하는 방법에서 탈피했다.

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다음으로 산화아연 주름층을 만든 뒤 메탈 카보네이트 물질을 이중으로 도포하는 새로운 방법을 사용함으로써 산화아연층의 주름구조를 해치지 않고 안정적으로 도핑하는 결과를 얻었다.

이러한 도핑방법은 산화아연층을 점진적으로 도핑시켰으며, 이 과정을 통해 광활성층과 전자수송층의 계면에서의 에너지 레벨이 전자가 더 잘 흘러갈 수 있는 구조로 바뀌어 높은 효율을 끌어내는 성과를 얻을 수 있었다.

연구팀이 개발한 기술은 메탈 카보네이트 용액을 산화아연층 위에 한 번 더 코팅해주는 단순한 방법으로 유기태양전지가 가지는 단순한 제작공정의 장점을 해치지 않기 때문에 앞으로 저비용·고효율 유기태양전지 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.

이번 연구는 물리학과 석사과정 노성호씨(27)가 제1저자로 주도했다. 정부가 울산대에 지원하는 대학중점연구소 사업, 두뇌한국(BK)21 플러스 사업, 기초연구실(BRL) 사업 등 대형 국책사업의 지원을 받았다.

원천기술을 밝힌 논문 '점진적으로 도핑된 산화아연(ZnO)층을 이용한 고효율 유기 태양전지'는 인용지수(IF) 20.523으로 에너지·환경·화학공학분야 세계 최고 권위지인 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)' 2016년 신년호(1월호)에 게재됐다.

조신욱 교수는 "이번 연구는 정부 지원으로 차세대 에너지 신물질 및 저차원 나노물질 연구와 인력양성에 집중하고 있는 울산대 물리학과의 저력을 보여주는 성과"라며 "무엇보다 석사과정 대학원생이 핵심 아이디어를 제안하고 연구를 주도해 세계 최고 권위지에 제1저자로 연구물을 게재하는 성과를 올렸다는 점에서 의의가 있다"고 소개했다.