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정공수송층(Hole Transport Layer)은 유기태양전지의 정공(Electron Hole)을 전달하는 역할을 하는 층이다.
유기태양전지는 값이 저렴하고 대면적화가 비교적 용이하며 플렉서블한 태양전지 생산이 가능한 장점을 갖고 있다. 태양전지 내의 빛을 받아 발생한 정공(+)을 전극으로 이동시키는 정공수송층의 소재로 쓰이던 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’는 유기태양전지에 널리 사용되고 있지만 강한 산성수용액으로 인한 전극 분해현상, 제한된 용매사용, 낮은 전도성으로 인해 효율저하 및 짧은 수명을 야기해 이를 개선하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.
KIST 백경열 박사팀은 이런 한계점을 극복하기 위해 전도성을 갖는 블록공중합체와 카본소재를 복합화한 복합소재를 개발, 기존 정공수송층의 문제를 보완하면서 향상된 성능을 지닌 새로운 정공수송층 소재를 개발했다.
KIST 연구진이 개발한 새로운 고분자 소재는 산성이 아닌 중성상태에서 다양한 용매에 대한 용해도를 갖고 있어 용액기반 공정에 다양한 접근이 가능하고, 기존의 산성수용액에 의한 전극의 부식 현상을 극복함으로써 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있는 안정성을 부여 할 수가 있다.
새롭게 개발된 정공수송층 소재는 용액공정 이후에 간단한 열처리 공정을 통하면 전도성고분자의 도핑 현상을 유도함으로써 기존 정공수송층 소재와 유사한 일함수(5.1 eV)를 가지면서 기존 대비 5배 향상된 전기전도도를 갖는 것으로 나타났다.
또 열처리와 동시에 불용의 물리적 가교가 형성돼 추가적인 용액공정 시 높은 내화학성을 지니는 장점이 있다. 용액공정을 다변화하고 유기태양전지의 성능 안정성과 에너지변환 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
KIST 백경열 박사는 “이번 연구를 통해 개발된 새로운 정공수송층 소재는 유기 태양전지 내의 정공수송층의 문제를 보완하면서 에너지변환 효율을 높일 수 있을 것으로 전망한다”라며 “향후 유기태양전지 뿐만 아니라 다양한 유기광전자소자에도 널리 활용 가능한 소재가 될 것으로 기대한다”라고 말했다.
이 연구는 산업통상자원부 지원으로 소재부품기술개발사업과 KIST 기관고유사업으로 수행됐다. 연구 결과는 국내특허(10-1681186)와 미국특허(9260572)에 등록됐으며 재료과학 및 복합체 분야의 국제 학술지인 ‘Composites Science and Technology’ 최신호에 게재됐다.
