서울시립대 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수, 경상대학교 반도체공학과 김준영 교수와, 서울대학교 반도체공동연구소 이승현 박사가 이끄는 공동 연구팀이 중·소형 전자기기를 쉽게 충전할 수 있는, 친환경 태양전지 핵심기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

공동 연구팀이 개발한 태양전지 소자는, 알루미늄이 도핑된 이산화티타늄(TiO2)을 유기 태양전지 및 페로브스카이트 태양전지의 전자추출층으로 적용시킨 새로운 구조로서, 스마트폰, 헤드폰, 소형 블루투스 기기 및 웨어러블 스마트 기기의 전원으로 충전하여 활용할 수 있는 높은 에너지 변환 효율을 갖는다.

구부리고 휠 수 있으며 옷에 부착도 가능하여, 입고 다니면서 필요할 때마다 휴대폰충전이 가능한 태양전지로 각광받고 있는, 유기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 에너지 변환 효율을 높이기 위한 전자추출층을 개발한 이 기술은, 표면/계면기술 분야의 권위적인 학술지인 WILEY 출판사의 Advanced Materials Interfaces 에 2020년 5월 20일자로 출판 및 게재되었으며 저널 표지(Back Cover Image)로 선정됐다.

현재 신재생에너지 생산원으로 주목받고 있는 태양전지는, 대부분 불투명하고 딱딱하므로, 전기를 생산하기 위해서는 특정 위치에 고정하여 사용을 해야하고, 이동을 하면서 접어다니거나, 옷이나 가방등에 부착이 가능한 유연한 형태의 플렉시블 태양전지 개발이 어려웠다.

특히, 유기반도체의 낮은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, 전자주입장벽의 기준값) 값으로 인해(LUMO 값이 낮을수록 공기중에서 불안정함) 공기중에서 안정한 n 형 반도체를 만드는데 어려움을 겪어왔고, 이로 인해 n 형 반도체인 전자추출층을 개발하는데 한계가 있었다.

이에 반해, 이산화티타늄 n형 무기반도체는 시중에서 판매하는 썬크림에도 사용이 되는 재료로서, 가격이 매우 저렴하고 피부에 닿아도 안전하여, 태양전지의 전자추출층으로서 주목받아왔다. 그러나 유기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지 모두에 적용이 가능한 기술이 없어, 여태까지는 각 태양전지에 맞는 전자추출층을 일일이 설계하고 제조해야했다. 이로 인해, 공정이 복잡해지고 공정 가격이 비싸져, 결과적으로는 플렉시블 태양전지의 제조단가를 높여, 상용화의 어려움을 겪어왔다.

이에 서울시립대-경상대-서울대 공동연구팀은, 알루미늄을 첨가하여 이산화티타늄의 이동도, 전도도 등의 전기적 특성을 자유자재로 조절하는 기술을 개발하고, 이를 태양전지의 전자추출층으로 적용함으로써, 단 1회의 공정만으로 다양한 종류의 플렉시블 태양전지의 전자추출층을 제조할 수 있는 기술을 개발할 수 있게 됐다.

서울시립대 김혁 교수와 공동 연구팀은 “이번 연구 성과는 유기 반도체와 차세대 반도체 재료인 유무기 페로브스카이트 반도체를 기반으로 하는 태양전지의 상용화를 동시에 앞당길 수 있는 중요한 연구 결과이며, 플렉서블/웨어러블 전자소자에 손쉽게 적용할 수 있는 기술이므로, 향후 휴대용 기기의 전력원으로 널리 활용될 것으로 기대된다” 고 말했다.