(왼쪽부터) 경상대 반도체공학과 김준영 교수, 서울시립대 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수, 서울대학교 반도체공동연구소 이승현 박사 (사진=경상대 제공)

국립 경상대학교(GNU) 공과대학 반도체공학과 김준영 교수와 서울시립대 전자전기컴퓨터공학부 김혁 교수, 서울대학교 반도체공동연구소 이승현 박사가 이끄는 공동 연구팀이 중·소형 전자기기를 쉽게 충전할 수 있는 ‘친환경 태양전지 핵심기술’을 개발했다.

공동 연구팀이 개발한 태양전지 소자는, 알루미늄이 도핑된 이산화티타늄(TiO2)을 유기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 전자추출층으로 적용한 새로운 구조다. 스마트폰, 헤드폰, 소형 블루투스 기기, 웨어러블 스마트 기기 등의 전원으로 충전해 활용할 수 있는 높은 에너지 변환 효율을 갖는다.

연구팀은 구부리고 휠 수 있으며 옷에 부착도 가능해, 입고 다니면서 필요할 때마다 휴대폰 충전이 가능한 태양전지로 각광받는, 유기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 에너지 변환 효율을 높이기 위한 전자추출층을 개발했다.

이 기술은 표면·계면기술 분야의 권위적인 학술지인 와일리(WILEY)출판사의 ‘애드밴스드 머티리얼즈 인터페이시즈(Advanced Materials Interfaces)’에 지난 20일 출판, 게재됐다. 특히 저널 표지(Back Cover Image)로 선정돼 논문의 우수성을 인정받았다.

현재 신재생에너지 생산원으로 주목받고 있는 태양전지는 대부분 불투명하고 딱딱해, 전기를 생산하기 위해서는 특정 위치에 고정해 사용해야 한다. 이동하면서 접거나 옷·가방 등에 부착이 가능한 유연한 형태의 플렉시블 태양전지 개발이 어려웠다.

유기반도체의 낮은 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, 전자주입장벽의 기준값) 값으로 인해(LUMO 값이 낮을수록 공기 중에서 불안정함) 공기 중에서 안정한 n형 반도체를 만드는 데 어려움을 겪었고, 이로 인해 n형 반도체인 전자추출층 개발에 한계가 있었다.

이에 반해, 이산화티타늄 n형 무기반도체는 시중에서 판매하는 선크림에도 사용되는 재료로 가격이 매우 저렴하고 피부에 닿아도 안전해 태양전지의 전자추출층으로 주목받아 왔다.

그러나, 유기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지 모두에 적용 가능한 기술이 없어, 여태까지는 각 태양전지에 맞는 전자추출층을 일일이 설계하고 제조해야 했다. 이로 인해, 공정이 복잡해지고 공정 가격이 비싸져, 결과적으로는 플렉시블 태양전지의 제조단가를 높여 상용화의 어려움을 겪었다.

이에, 공동연구팀은 알루미늄을 첨가해 이산화티타늄의 이동도·전도도 등 전기적 특성을 자유자재로 조절하는 기술을 개발하고, 이를 태양전지의 전자추출층으로 적용했다. 1회의 공정만으로 다양한 종류의 플렉시블 태양전지의 전자추출층을 제조할 수 있는 기술 개발이 가능해졌다.

김준영 교수와 공동연구팀은 “이번 연구 성과는 유기 반도체와 차세대 반도체 재료인 유무기 페로브스카이트 반도체를 기반으로 하는 태양전지의 상용화를 동시에 앞당길 수 있는 중요한 연구 결과다. 플렉서블·웨어러블 전자소자에 손쉽게 적용할 수 있는 기술이므로, 향후 휴대용 기기의 전력원으로 널리 활용될 것으로 기대된다”라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 한국연구재단 이공학개인기초사업과 한국생산기술연구원 원천기술개발사업(소프트 로보틱스 원천기술개발), 한국전력 기초사외공모사업의 지원을 받아 수행됐다.