국내 연구진이 태양전지 가격에 큰 영향을 미치는 고가의 투명전도성 전극을 전혀 사용하지 않으면서도 고효율 달성이 가능한 신 구조 플렉서블 태양전지 원천기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀은 고온에서 열처리 한 무기 광전극을 떼어내 플라스틱처럼 잘 휘어지는 기판(플라스틱, 종이, 섬유) 등에 전사해 붙이는 방식을 이용한 신 구조 고효율의 염료감응 플렉서블 태양전지를 개발했다고 밝혔다.
태양전지나 디스플레이 등의 전자소자는 소자의 효율 향상을 위해 가시광선 영역에서 85% 이상의 높은 광투과도와 전기 전도도를 요구하는 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전도성 전극이 필요하다.
하지만, ITO의 주원료인 인듐은 희귀 금속으로 가격이 비싸, 차세대 태양전지인 염료감응 태양전지의 재료비 중 가장 큰 부분을 차지하고 있다.
고효율의 태양전지를 제작하기 위해서는 이러한 값비싼 투명전도성 전극외에도 무기 광전극을 고온에서 열처리하는 과정이 반드시 필요한데, 이는 무기 광전극 내부가 단단히 연결이 되고 기판과의 접착력이 좋아져서 소자저항이 작아지기 때문이다.
플렉서블 태양전지를 만들기 위해 기존에는 유연하지만 열에 약한 플라스틱 기판을 활용하기 위해 효율이 낮은 저온 공정을 사용했다.
또한 투명전도성 전극을 사용하는 경우, 태양전지를 휘었을 경우 ITO가 깨져 전기적 특성이 감소하는 등의 단점이 있었다.
연구팀이 개발한 제작방법은 유리기판 위에 고온에서 열처리한 산화타이타늄(TiO2) 전극을 형성시킨 후, 플렉서블한 기판에 옮겨 붙이는 전사 방법을 적용해 플라스틱 기판에서 고효율의 태양전지를 구현했다.
전사방법을 사용하면 고온 열처리한 저항이 낮은 광전극을 다양한 플렉서블한 기판에 옮겨 붙일 수 있기 때문에 고효율 달성이 용이하다.
후면전극 역시 인듐보다 상대적으로 가격이 저렴한 타이타늄 질화물(nitride)로 만들었고, 상대전극도 투명 전도성 물질을 사용하지 않고 탄소와 백금 복합체를 사용해 플라스틱 전극 위에 제작했다.
이렇게 제작된 염료감응 태양전지는 기존 전지에 비해 소재가격은 50% 이하로, 전체 태양전지 가격은 30% 이하로 가격이 낮아지는 효과를 보였다는 설명이다.
또한 이번에 개발한 전사법은 휘어짐에 강한 타이타늄 계열의 광전극을 고분자 필름 위에 붙여, 태양전지를 휘었을 경우에도 기판의 손상과 효율의 감소없이 특성이 좋은 태양전지를 제작할 수 있었다.
이렇게 개발한 태양전지는 투명 전도성 물질을 전혀 사용하지 않음에도 불구하고, 보고된 염료감응 플렉서블 태양전지 중 최고 수준인 8.10%의 광변환 효율을 기록했다.
연구책임자 고민재 박사는 “이번에 개발한 태양전지는 기판의 종류에 상관없이 제작할 수 있고, 잘 휘어지면서도 효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대 전소자 등 다양한 분야의 핵심소재로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
