국내 연구진이 플라즈마1)를 이용한 새로운 나노입자 합성기술을 적용해 유기태양전지의 에너지 전환 효율을 높이는데 성공했다.

국가핵융합연구소(소장 유석재, 이하 핵융합(연)) 플라즈마기술연구 센터의 홍용철 책임연구원, 허진영 학생연구원과 경희대학교 응용화학과 고두현 교수, 남민우 박사 공동연구팀은 수중 플라즈마 기술을 이용한 전자수송용 나노입자2) 합성기술을 개발하여 유기태양전지의 광에너지 전환효율3)(PCE: Power Conversion Efficiency)을 획기적으로 높이는데 성공했다고 밝혔다.

유기태양전지는 가볍고 저렴하다는 장점과 더불어 롤투롤(roll to roll)방식의 대면적, 대량생산이 가능해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만, 광에너지 전환효율이 낮다는 것이 문제점으로 여겨졌다.

공동연구팀은 수중 플라즈마를 이용해 합성한 수소이산화티탄 (Hydrogenated TiO2, H-TiO2) 나노입자를 유기태양전지의 전자수송층에 적용하여, 기존 이산화티탄(TiO2)을 적용한 유기태양전지 보다 광에너지 전환효율이 약 50% 이상 증가한 9.12%로 높이는데 성공했다.

수소이산화티탄은 일반적인 전자수송층으로 사용되는 이산화티탄에 비해 향상된 전기전도도를 보였으며, 이로 인해 유기태양전지의 전하 수송 및 추출 능력이 증가하는 것으로 밝혀졌다. 뿐만 아니라 낮은 밴드 갭4)(Band gap: 2.88 eV 이하)을 형성하여 자외선을 조사하였을 경우에만 효과적인 전자이동이 가능했던 기존 유기태양전지의 성능 및 수명 저하 문제점도 해결하는 결과를 얻었다.

기존 수소이산화티탄 합성 방식인 수소 열처리 방식(Hydrogen thermal treatment), 화학적 기상 증착법(CVD: Chemical Vapor Deposition) 등은 고가의 장비를 필요로 하고 다량의 화학물질을 사용해 환경오염 물질을 만들어 낸다는 문제가 있었다. 또한 합성에 평균 5시간 이상이 소요되어 양산화에는 한계가 있었다.

반면, 이번에 개발한 ‘수중 플라즈마 수소이산화티탄 합성 시스템’은 구조가 간단할 뿐만 아니라, 합성시간을 5분 이내로 단축할 수 있어 기존의 기술보다 60배 이상 생산 속도를 높일 수 있다. 또한 플라즈마 이외에 다른 화학물질을 사용하지 않아 친환경적이다.

수중 플라즈마를 이용해 수소이산화티탄의 합성에 성공한 사례는 이번 연구가 세계 최초이다. 이 기술을 통해 생산한 수소이산화티탄 나노입자는 차세대 태양전지 뿐 아니라 디스플레이, 광센서, 태양광촉매시스템 등에도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

핵융합(연) 유석재 소장은 “플라즈마를 이용한 기술은 공정이 간단하고 2차 환경오염이 없어 비용절감 효과와 함께 고효율 생산을 가능하게 하는 것이 특징이다. 이는 그동안 전량 수입에 의존했던 나노입자 산업의 트렌드를 변화시키고, 새로운 시장창출과 수출 효과를 기대할 수 있게 할 것이다.”라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 지난 1월 30일 세계적 학술지인 “어드벤스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, year impact factor: 16.721)”에 게재되었다. 핵융합(연)과 경희대는 이번 연구 결과를 바탕으로 상용화 기술 개발을 진행하여, 향후 기업에 기술 이전을 통해 산업적 활용이 가능하도록 할 예정이다.