▲ 광전류 원자층분석 현미경(PC-AFM) 분석법을 이용해 베리어 박막위에 코팅된 PCBM 소재의 광전기적 특성 분석 실험 모식도. 전자(-)의 이동은 제어되고, 정공(+)의 이동만 활발히 일어난다. .

유기태양전지용 나노소재의 효율적 측정법이 개발돼 품질 관리 및 비용 절감 등에 크게 기여할 전망이다.

재료연구소(소장 강석봉)는 표면기술연구본부 임동찬 박사(연구책임자 이주열 박사)와 울산대학교 조신욱 교수, 성균관대학교 김영독 교수 등의 공동연구팀이 유기태양전지가 완성되기 전 소재 단위에서 미세 영역을 분석하는 새로운 측정법을 개발했다고 8일 밝혔다. 이번 연구 결과는 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재됐다.

유기태양전지는 플러렌 유도체, 전도성 고분자, 금속산화물 등 다양한 종류의 나노소재를 혼합하거나 층층이 쌓아 제작한다. 그 중 플러렌 유도체는 전자와 정공을 각기 다른 방향으로 이동하게 해 광활성층에서 생성된 전하의 재결합을 막아 태양전지 효율을 향상시킨다.

연구팀은 이번에 개발된 측정법을 통해 유기태양전지에 적용되는 나노소재 중 하나인 플러렌 유도체가 전자의 이동을 원활히 해줄 뿐만 아니라 정공의 이동을 효과적으로 막아 태양전지 효율 향상에 기여하고 있음을 밝혀냈다.

이번에 개발된 측정법은 소자를 다 만들지 않고 소재 단위에서 미세 영역 분석만으로 예측할 수 있어 비용 절감 효과가 기대된다. 또 전하의 흐름을 이미지로 표현할 수 있어 타 연구 분야에도 쉽게 활용할 수 있다.

나노소재는 전기·전자, 에너지, 환경 등 다양한 산업분야에 적용되고 있다. 나노소재 고유의 특성뿐만 아니라 다른 소재와 결합됐을 때 나타날 수 있는 새로운 특성을 미리 파악하는 것은 중요한 정보가 되기 때문에 정밀한 측정 방법이 필요하다.

공동연구팀은 유기태양전지 속 나노소재의 새로운 역할을 찾아냈으며 소재 단위의 측정법이 향후 나노소재 기초 및 응용연구에 파급효과가 클 것으로 기대하고 있다.

현재 태양전지의 효율을 높이기 위해 신소재를 개발하거나 기존 개발된 소재간의 혼합 비율, 적층 순서 변경 등을 통한 공정 조건을 다양화하는 두 가지 방식의 연구가 전개되고 있다. 공동연구팀은 유기태양전지의 효율을 높이고 측정법의 타 분야 적용을 앞당기기기 위해 관련 연구를 지속적으로 펼쳐나갈 방침이다.

연구책임자인 이주열 박사는 “이번 기술 개발로 유기태양전지 제조 과정 중에 개별 소재가 태양전지 효율에 미치는 영향을 실시간으로 조사할 수 있어 핵심 소재의 품질 관리가 더욱 효과적으로 이뤄질 수 있다”고 말했다.