동아대학교(총장 이해우)는 반도체학과 및 화학공학과 두뇌한국(BK21 Four) 교육연구단 소속 서정화 교수팀이 재료 분야 상위 5% 저널인 ‘Advanced Functional Materials’(Impact factor : 16.836)에 논문을 게재했다고 16일 밝혔다.

최근호에 게재된 이번 논문은 ‘페로브스카이트 태양전지에서 금속(Cu)기반의 고분자 전해질을 이용해 전극의 일함수를 제어하고 효과적인 p-형 접촉을 형성하는 기술’을 개발한 내용이다. 서 교수는 현재 연구 관련 특허 출원도 진행 중이다.

교신저자인 서 교수와 동아대 반도체학과 강주환·박유정 박사, 카우살 알리 카와자(Kausar Ali Khawaja) 대학원생, 화학공학과 아즈맛 알리(Azmat Ali) 등이 참여한 이번 연구 결과는 차세대 에너지원으로 주목받는 ‘페로브스카이트 태양전지’의 성능 개선과 안정성, 효용성 등에 기여할 것으로 기대된다.

‘태양전지의 새로운 혁신’이라 불리는 페로브스카이트는 유기·무기 소재의 장점을 모두 가진 하이브리드 소재로 각광받고 있다.

연구팀은 태양전지 등 광전자 소자에 상용화돼 쓰이고 있는 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’의 한계점 극복을 위해 금속 중에서도 뛰어난 전도성을 가진 ‘구리(Cu)’를 채택, 고분자 전해질과 합성함으로써 기존 정공수송층 문제를 보완하면서도 성능이 향상된 새로운 정공수송층 소재 개발에 성공했다.

페로브스카이트 태양전지 내에서 빛을 받아 발생한 ‘전자’와 ‘정공’의 결합체를 ‘엑시톤(exciton)’이라 하는데, 이 중 정공(+)을 ITO(투명전극)로 이동시키는 정공추출층의 소재로 쓰이던 것이 전도성 고분자인 ‘PEDOT:PSS’다.

하지만 ‘PEDOT:PSS’는 강한 산성 수용액으로 ITO 전극의 부식을 유발하고, ITO 전극에서 활성층으로 인듐(In) 및 주석(Sn)이 확산돼 시간이 지나면서 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 저하시키는 문제가 있었다.

연구팀이 이번에 개발한 새로운 금속기반 고분자 전해질 소재는 중성이기 때문에 소자로 인한 전극 부식이 진행되지 않아 안정적이고, 뛰어난 용해도를 갖고 있어 용액공정인 스핀코팅(spin-coating)이나 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)에도 적용이 가능한 장점이 있다.

뿐만 아니라 반도체소자 경계면 사이에서 일어날 수 있는 불균형한 에너지 레벨은 불균형한 전하이동으로 인해 소자효율을 저하시키는 치명적인 원인으로 작용하는데, 서 교수 팀이 개발한 소재는 이 문제도 개선할 수 있는 것으로 나타났다.

서 교수는 “금속(Cu) 기반 고분자 전해질을 반도체소자 계면 사이에 접목시켰기 때문에 ‘오믹 p-형 접점(ohmic p-Type Contact)’을 효과적으로 형성하고, 전극의 일함수(work function, 물질 내에 있는 전자 하나를 밖으로 끌어내는 데 필요한 최소의 일 에너지)를 증가시킬 수 있는 새로운 정공수송층용 조성물이 될 수 있다”고 설명했다.

서 교수는 이어 “이번에 개발한 편리하고 저렴한 고분자 전해질을 기반으로 p-형 계면 재료로 활용할 수 있는 신소재를 제공할 수 있을 것”이라며 “태양전지뿐만 아니라 박막 트랜지스터(thin film transistor) 및 LED 등 다른 유기 및 하이브리드 반도체 소자에도 적용해 p-형 접점(p-Type Contact)을 개선하고 장치의 효율 및 성능 개선이 가능하다”고 밝혔다.

서 교수는 “이번 연구는 금속과 유기화학소재를 융합한 새로운 개념의 유·무기 전해질 소재의 성공적인 개발과 차세대 태양전지 소자 성능 향상을 위한 신소재 활용 가능성을 학계에 보고했다는 의미가 있다”며 “앞으로도 BK21 사업과 중견연구자지원사업 등을 수행하며 다양한 하이브리드 소재 개발에 매진해 새로운 연구 분야를 개척하고 광전자 소자뿐 아니라 헬스케어 소자에도 응용성을 확장, 해당 분야에서 주도적인 연구팀으로 자리매김하겠다”는 각오를 밝혔다. 김민정 기자 min55@kookje.co.kr