김중현 교수 연구팀, 국가연구개발 우수성과 100선 선정

태양전지 효율 극대화를 위한 전도성 고분자 도핑 제어 기술 개발

김중현 교수(화공생명공학과) 연구진이 전도성 고분자의 합성비율을 조절해 태양전지의 효율을 극대화하는 데 성공하면서 ‘2018년 국가연구개발 우수성과 100선’에 선정됐다. 

지금까지 다양한 소재가 태양전지의 정공(+) 수송층(hole transport layers;HTLs)로서 사용되어왔다. 기존 정공 수송층 소재는 제품 성형 시 고온에서 성형해야 하는 탓에 시장 확대가 어려웠다. 이를 해결하기 위해 뛰어난 전도도와 광학적 투명성 및 저온조건에서 가공이 가능한 ‘PEDOT:PSS’라는 전도성 고분자를 이용하고 있지만 여전히 태양전지효율이 비교적 낮고, 일함수 제어가 어려운 실정이다. 

연구진은 먼저 전도성 고분자 합성 시, 1차 도펀트 조성비(PEDOT 대 PSS)를 다양하게 제어해 합성한 뒤 최적화를 진행했다. 그 결과 태양전지 효율 및 높은 일함수를 가지는 전도성고분자(PEDOT:PSS) 합성 기술을 확보하여 기존의 한계를 극복하고 대량생산이 가능한 공정으로 발전할 수 있었다. 즉, 물질 합성에서부터 코팅까지의 전 과정을 통해 용액 내절연성 물질(PSS)의 함량을 조절할 수 있는 공정 기술을 실현할 수 있게 됐다. 

연구팀의 기술을 통해 세계적으로 상용화된 타사의 PEDOT:PSS 상품에 비해 23% 이상의 효과를 볼 수 있었다. 본 합성 기술은 자체적으로 최적비율의 조절을 통해 개발한 기술이기 때문에 기존 상용되는 제품에 비해 저비용으로 물질을 얻어낼 수 있다. 또한 기존 상용 제품보다 고성능 정공수송층 전도성 고분자를 태양전지에 적용 가능함을 제시했다.

김중현 교수는 “향후 조성비 조절과 추가적인 물성 향상을 위한 첨가제 혹은 공정방법을 도입하게 된다면 더욱 높은 성능을 가진 정공 수송층으로서의 전도성 고분자로 거듭날 수 있을 것으로 보여진다.”며 “전도성 고분자를 이용한 태양전지 시장을 선도할 수 있을 것으로 기대되며 동시에 기업과의 산학협약체결을 통해 상용화 연구를 진행하고 있다.”고 밝혔다.

본 연구는 우리 대학교 박종혁 교수(화공생명공학과) 연구진과의 공동 연구를 통해 진행됐으며, 김소연‧김완정 박사가 공동 1저자로서 연구를 수행했다. 나노소재원천기술개발사업의 지원을 받아 이뤄진 본 연구 결과는 저명한 국제학술지 ‘나노스케일(Nanoscale)’에 지난 2017년 7월에 게재된 바 있다.

한편, ‘국가연구개발 우수성과’란 정부지원 R&D과제에서 창출한 우수성과 후보 중 6대 기술 분야별로 우수한 성과를 선정하는 것으로, 과학기술인들의 자긍심을 고취하고 과학기술 역할에 대해 국민들의 이해와 관심을 제고하는 데 의의가 있다. 

[그림] IP-PSC의 에너지 레벨 변화(좌), IP-PSC 소자 모식도(우)

더불어 연구팀은 최근 전도성 고분자 PEDOT:PSS를 이용하여 후처리 공정을 통해 2,000 S/cm 이상의 고전도도 유기 투명전극 소재 특성을 구현했다. 전도성 고분자는 기존 무기소재 기반의 투명 전극과 비교하여 싼 가격, 쉬운 가공성, 유연성등의 다양한 장점들 때문에 차세대 전자재료로 주목받고 있지만, 전기전도도가 ITO에 비하여 부족하다는 단점을 가지고 있다.  본 연구는 전도도 향상과 면저항 대비 투과율의 상관관계를 규명하며 다른 연구들과 차별성을 두었다.  

김윤렬 석사과정 학생이 1저자로서 연구를 수행했으며 한국 연구재단 나노소재 원천기술개발사업과 중점연구소의 지원을 받았다. 본 연구 결과는 지난 7월 18일 저명한 국제학술지 ‘JMC C(Journal of Materials Chemistry C)’의 Back cover story에 소개된 바 있다.