안정성 30%↑…전자빔 활용, 고효율 유기 태양전지 개발

한국세라믹기술원 허수원 박사 연구팀
전자빔 장비 활용한 저온 열처리 기술
전자빔 처리된 용액공정용 산화아연물(ZnO) 박막 결함 감소

[진주=뉴시스] 정경규 기자 = 한국세라믹기술원 허수원 박사는 전자빔을 활용한 저온 열처리 공정을 적용, 에너지 변환효율 및 장기 안정성이 향상된 유기 태양전지를 개발했다고 29일 밝혔다. 나노 및 소재 기술개발사업 국가핵심소재연구단(플랫폼형)이 연구를 지원했다.

무한한 에너지원인 태양광을 전기로 만드는 태양전지는 화석연료 대비 ㎾h당 생성되는 이산화탄소를 크게 줄일 수 있다. 2050 탄소중립의 이산화탄소 배출량 감축목표에 부합하는 에너지 기술로 각광받고 있다.

특히 유기 태양전지는 가볍고 형상에 제약이 없으며, 용액공정으로 제작이 가능해 대면적으로 제작이 용이하고 다양한 모바일 장치 및 인체 부착형 센서 등의 전원으로 적용이 가능하다.

하지만 산소와 수분에 약점을 보이는 유기물의 사용으로 인해 기존의 실리콘 태양전지에 비해 효율 및 장기 안정성이 떨어지는 단점을 가진다.

연구팀은 효율을 향상시키면서도 전력을 발생시키는 동안 안정한 유기 태양전지를 개발하기 위해 전자빔 처리기술을 도입했다.

아르곤 분위기에서 발생시킨 플라즈마에 존재하는 전자 만을 추출하고 이들 전자를 가속해 용액공정으로 도입된 산화아연(ZnO)층에 조사했다.

기존 용액공정으로 도입된 ZnO층은 180도에서 1시간 정도 열처리를 통해 얻을 수 있었지만 전자빔 처리는 150도, 2분 이내의 처리로도 고품질의 박막을 얻을 수 있어 대면적 유연기판에 적용이 가능하다.

그 결과, ZnO층에 존재하는 탄소·수소 등의 불순물들이 크게 감소하였으며 아연(Zn)과 산소(O)의 결합도는 약 19% 향상됐다.

또한 ZnO층의 박막밀도가 약 18% 높아지고 전자의 이동도가 1.47배 증가돼 유기태양전지의 효율을 15.8%로 끌어올렸다.

개발된 기술이 적용된 태양전지는 별도의 보호코팅 없이 30일 간 미사용해도 90.1%의 잔존 효율을 보였으며, 500분 동안 연속 동작 후에도 초기효율 대비 85%를 보여 기존의 유기 태양전지 대비 안정성이 30% 증가됐다.

한국세라믹기술원 허수원 박사는 “전자빔 처리기술은 저온공정을 통해 박막의 물성을 향상시킬 수 있는 핵심공정으로 유기 태양전지에 적용된 첫 번째 사례”라며 “향후 대면적의 유연한 태양전지 상용화를 앞당길 수 있으며, 다양한 반도체 소자들에 적용이 가능하다”고 했다.

이 연구 성과는 세계적인 태양전지 전문저널인 '솔라 RRL'의 2023년 6월호 표지 논문으로 게재됐다.

☞공감언론 뉴시스 jkgyu@newsis.com

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