국내 연구진이 플라즈마를 이용한 새로운 나노입자 합성기술로 유기태양전지의 에너지 전환 효율을 높이는데 성공했다.

국가핵융합연구소(소장 유석재) 플라즈마기술연구 센터 홍용철 책임연구원·허진영 학생연구원과 경희대학교 응용화학과 고두현 교수·남민우 박사 공동연구팀은 수중 플라즈마 기술을 이용한 전자수송용 나노입자 합성기술을 개발해 유기태양전지의 광에너지 전환효율을 획기적으로 높이는데 성공했다고 22일 밝혔다.

유기태양전지는 가볍고 저렴하고 대면적, 대량생산이 가능해 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 하지만 광에너지 전환효율이 낮다는 것이 문제점으로 남아있다.

연구팀은 수중 플라즈마를 이용해 합성한 '수소이산화티탄' 나노입자를 유기태양전지의 전자수송층에 적용해 기존 이산화티탄을 적용한 유기태양전지 보다 광에너지 전환효율이 약 50% 이상 증가한 9.12%로 높이는데 성공했다.

수소이산화티탄은 이산화티탄에 비해 높은 전기전도도를 보였으며, 이로 인해 유기태양전지의 전하 수송 및 추출 능력이 높아지는 것으로 밝혀졌다. 이와 함께 2.88 eV 이하의 낮은 밴드 갭을 형성해 수명 저하 문제점도 해결했다.

기존 수소이산화티탄 합성 방식인 수소 열처리 방식이나 화학적 기상 증착법(CVD) 등은 고가의 장비가 필요하고 환경오염을 일으키는 화학물질을 많이 사용한다는 문제가 있었다. 또 합성에 평균 5시간 이상이 걸려 양산화에 한계가 있었다. 반면 연구팀이 개발한 '수중 플라즈마 수소이산화티탄 합성 시스템'은 구조가 간단할 뿐만 아니라 합성시간을 5분 이내로 단축할 수 있어 기존의 기술보다 60배 이상 생산 속도를 높였다. 또한 플라즈마 이외에 다른 화학물질을 사용하지 않아 친환경적이다.

수중 플라즈마를 이용해 수소이산화티탄의 합성에 성공한 사례는 이번 연구가 세계 최초로, 이를 통해 생산한 수소이산화티탄 나노입자는 차세대 태양전지 뿐만 아니라 디스플레이, 광센서, 태양광촉매시스템 등에도 활용될 수 있을 전망이다. 핵융합연과 경희대는 이번 연구 결과를 바탕으로 상용화 기술 개발을 진행해 기업에 기술을 이전할 예정이다.

유석재 핵융합연 소장은 "플라즈마를 이용한 기술은 공정이 간단하고 환경오염 없이 비용절감과 고효율 생산을 가능하게 하는 것이 특징"이라며 "그동안 전량 수입에 의존했던 나노입자 산업을 변화시키고 새로운 시장창출과 수출 효과를 기대할 수 있게 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 '어드벤스드 에너지 머티리얼즈'(Advanced Energy Materials)"에 게재됐다.