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유기박막 태양전지 개발 동향과 전망
태양전지 기술동향
글 김의겸 2008-03-03 |   지면 발행 ( 2008년 3월호 - 전체 보기 )


글 : 신원석, 문상진 박사 / 한국화학연구원 에너지소재연구센터moonsj@krict.re.kr / www.krict.re.kr최근 들어 고유가와 환경오염에 따른 청정 대체에너지의 필요성은 갈수록 절박해지고 있으며, 세계 각국은 이에 대한 해답으로 수소/연료전지, 태양전지, 풍력 등의 대체에너지원 개발에 국가적인 역점을 두고 있다. 이에 따라 최근 5년간 세계 태양전지의 수요도 매년 35% 이상 비약적으로 증가하여 2006년 생산량 기준 2.5GW(설치량 기준 1.5GW), 150억 달러에 이르고 있으며, 10년 후에는 현재의 반도체 시장 이상의 거대 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다. 한편 이 같은 세계 태양전지 산업의 급속한 팽창은 현재의 주된 기종인 결정질 실리콘계 태양전지의 과수요를 불러와 그에 소요되는 실리콘 재료의 심각한 공급 부족을 유발하고 있다. 따라서 이미 경제성과 재료상의 수급에 한계를 보이고 있는 무기 실리콘 재료의 문제를 극복하는 차원에서도 유기박막 태양전지의 개발은 매우 중요하다고 볼 수 있다.유기박막 태양전지는 1986년 이스트먼 코닥의 탕(C. Tang)이 CuPc(copper pthalocyanine)와 perylene tetracarboxylic derivative를 이용한 이종접합 구조로 태양전지로서의 실용화 가능성을 처음 제시한 후에[1], 유기박막 태양전지에 대한 관심과 연구가 증폭되었다. 이들 태양전지는 초기에는 1% 전후의 효율을 보였으나, 2000년대 들어 보다 집중적인 연구들이 진행되면서 현재 최고 6% 정도의 에너지 전환 효율이 발표되고 있다.[2-3] 그리고 유기 반도체의 에너지 준위 및 물성을 잘 조절하면 이론적으로 10% 정도의 에너지 전환 효율도 가능하다는 최근의 예측은 유기박막 태양전지에 대한 실용화의 앞날을 밝게 하고 있다.[4]선진국에서는 차세대 박막 태양전지에 대한 국가차원의 지원도 아끼지 않고 있는데, 미국의 ‘차세대 태양 에너지 프로젝트(Next Generation Solar Energy Projects), 유럽의 ATHLET (Advanced Thin Film Technologies for Cost Effective Photovoltaics) 프로그램’, 그리고 일본의 ‘차세대 PV 시스템을 향한 R&D(R&D for Next Generation PV Systems) 프로그램’들이 대표적인 예이다. 또한 실제로 유럽의 지멘스, 미국의 코나르카, 플렉스트로닉스 등의 회사들이 본 유기박막 태양전지의 발전 및 실용화 가능성에 주목하여 본격적인 개발 및 실용화 프로젝트를 이미 진행시키고 있음은 유의할 만하다. 본 글에서는 이러한 차세대 신형 태양전지로서의 유기박막 태양전지의 기술적 원리와 종류, 현재의 개발 동향과 문제점, 그리고 발전 방향에 대해 살펴보고자 한다.유기박막 태양전지의 구조유기박막 태양전지의 기본구조는 그림 1과 같이 금속/유기 반도체(광활성층)/금속(Metal-Semiconductor or Insulator- Metal, MIM) 구조로 간단히 표시할 수 있는데, 높은 일함수를 가진 투명 전극인 ITO(indium tin oxide)를 양극으로, 낮은 일함수를 가진 Al 이나 Ca 등을 음극 물질로 사용한다. 그리고 광활성층은 100nm 정도의 두께를 가진, 전자주게 물질(electron donor: D)과 전자받게 물질(electron acceptor: A)의 2층 구조(D/A bi-layer structure) 혹은 복합박막((D+A) blend) 구조를 이용하는데 (각각 그림 1의 (a) 및 (b)), 경우에 따라서는 전자의 두 도너-액셉터(donor-acceptor) 층 사이에 후자의 복합박막이 끼어 있는 혼합구조(D/(D+A)/A)를 이용하기도 한다. 또한 버퍼(buffer) 층으로 양극인 ITO 전극과 광활성층 사이에는 정공 이송층(hole transport layer)을, 음극과 광활성층 사이에는 전자 이송층(electron transport layer)을 끼워 넣기도 한다.한편, 광활성 층으로 사용되는 유기 반도체에는 유기 단분자와 고분자가 있는데, 유기 단분자의 경우는 진공에서 가열하여 도너 층과 액셉터 층을 연속으로 형성시키는 방법을 사용하고, 유기 고분자의 경우는 도너와 액셉터 물질이 함께 녹아있는 용액을 스핀 코팅(spin coating)법이나, 잉크젯 프린팅(ink-jet printing)법, 또는 스크린 프린팅(screen printing)법 등과 같은 습식 공정을 이용하여 막을 형성시킨다. 최근 이 혼합구조 박막층을 상하 2층의 이른바 탠덤(tandem) 구조로 배열하여 유기박막 태양전지 분야에서는 현재 최고의 효율인 6.5%를 달성한 바 있다.[3]유기박막 태양전지의 작동 원리유기박막 태양전지에 광을 쬐어주면, 도너 물질에서 광을 흡수하여 여기 상태의 전자-정공 쌍(exciton)이 형성된다. 이 전자-정공 쌍은 임의 방향으로 확산하다가 액셉터 물질과의 계면(interface)을 만나면 전자와 정공으로 분리된다. 즉, 전자는 전자 친화도가 큰 액셉터 물질 쪽으로 이동하고 정공은 도너 쪽에 남아 각각의 전하 상태로 분리된다.[5] 이들은 양쪽 전극의 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 쌓여진 전하의 농도 차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다. 이 현상을 광기전력 효과(photovoltaic effect)라고 하는데, 그림 2에 세 가지 구조의 유기박막 태양전지에 대한 광활성층 내부에서의 광흡수와 전하 분리 현상을 도식적으로 표시하였다.그림에서 특히 BHJ(bulk-heterojunction) 구조는 바이-레이어(bi-layer) 구조에 비해 D/A 계면의 면적이 매우 커 전하 분리의 가능성이 더 큼을 알 수 있는데, 기존 무기계 태양전지(p-n접합구조)와는 뚜렷이 구별되는 유기박막 태양전지만의 독특한 구조이다.[6]유기박막 태양전지의 광으로부터 전기를 얻는 과정을 크게 3단계로 나누어 볼 수 있는데, 각 단계의 효율을 극대화함으로써 전체 태양전지의 광전 전환효율의 향상을 기할 수 있다.첫 번째 단계는 고분자가 태양광을 흡수하는 단계이다. 고분자는 광을 흡수함으로써 HOMO(highest occupied molecular orbital)의 전자가 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)로 전이되어 엑시톤을 형성하게 된다. 고분자의 전도도에 따라 차이가 있기는 하지만 일반적으로 100nm 내외 두께의 활성층(active layer)을 사용하고 있다. 따라서 이 두께에서 충분한 양의 태양광을 흡수할 수 있어야 하므로 사용하는 고분자의 광 흡수 계수(absorption coefficient)가 105cm-1 이상 충분히 커야 한다.두 번째 단계는 태양광을 흡수하여 생성된 엑시톤에서 전자와 정공을 분리하는 단계이다. 유기박막 태양전지는 무기반도체의 p-n 결합을 이용한 무기태양전지와 같은 원리를 이용한다. 일반적으로 고분자 태양전지에서는 도너(p-type) 물질로는 고분자를 사용하고 있으며, 액셉터(n-type) 물질로는 LUMO가 고분자보다 낮은 다른 종류의 고분자나 플러렌유도체, 나노 크기의 무기물들을 사용하고 있다. 즉 도너인 고분자에서 광을 흡수하여 생성된 엑시톤은 액셉터의 경계면까지 이동한 후, 액셉터로 전자를 넘겨줌으로써 전자-정공 쌍을 형성하게 된다. 무기 태양전지의 경우 전자-정공 쌍이 분리하는데 필요한 에너지가 수 meV에 불과하므로 상온에서 자연스럽게 분리되는데 비하여, 유기박막 태양전지의 경우는 ~100meV의 에너지가 필요하다는 점에서 차이가 있다.세 번째 단계는 분리된 전자와 정공이 소실되지 않고 무사히 음극과 양극으로 이동하는 것이다. 그러기 위해서는 활성층과 전극 계면에서의 손실을 최소화해야 할 뿐만 아니라 활성층 내부에서 분리된 전자와 정공이 단락 되지 않고 전극으로 이동할 수 있는 경로의 형성이 되어야 하며 이때 도너와 액셉터 물질 내부에서도 정공과 전자의 이동속도가 충분히 빨라야 한다.도너 및 액셉터 물질의 종류현재 유기박막 태양전지의 도너 및 액셉터로 사용되고 있는 대표적인 물질들을 그림 3에 나타내었다. 도너 물질로는 반도체 고분자의 경우, poly-phenylene vinylene(PPV) 계열의 물질과 PT(polythiophene)의 유도체들이 주로 연구되어 왔는데, 최근에는 같은 고분자 주쇄에 flourene이나 thiophene 등의 도너 부분과 benzothiadiazole과 같은 액셉터의 부분을 동시에 가지고 있는 공중합체(예, 그림 3(a)의 APFO-Green2, PFDTBT, PCPDTBT)들을 로우 밴드갭 도너(low band gap donor) 물질로 많이 개발되고 있다.[7-9]유기 단분자 물질의 경우에는 CuPc, ZnPc 등 phthalocyanine계 물질이 많이 이용되고 있다. 도너 물질들은 일차적으로 광흡수 파장 범위가 태양광 스펙트럼과 잘 맞고 매우 강한 광흡수도를 가지고 있어야 하며, 전하의 이동도 등 전기적 물성이 우수하여야 한다.액셉터 물질로는, 그림 3(b)의 fullerene (C60) 자체 혹은 C60이 유기 용매에 잘 녹도록 설계된 PCBM 등이 사용되고 있으며[10], 그 외 단분자로 perylene, PTCBI 등이 사용되고 있다. 이중에서 C60의 유도체들은 대체로 반도체 고분자와 복합하여 BHJ 구조재로 많이 사용되고 있으나, C60의 경우 진공 증착법을 이용하여 bi-layer 구조의 소자에도 자주 쓰이고 있다. Perylene, PTCBI 등 단분자 물질은 바이 레이어 구조에 주로 사용된다. 이때 액셉터 물질은 도너와 비교하여 전자 친화도가 커야 한다.해외 기술동향유기박막 태양전지는 활성층의 재료에 따라 그림 4와 같이 크게 단분자 구조와 고분자 구조로 분류되는데, 최근까지 발표된 논문을 근거로 분석한 유기박막 태양전지의 재료에 따른 효율의 전반적인 추이를 살펴보면, 2000년 이전까지는 대부분 1% 미만의 낮은 효율을 보여주다가 2000년 이후 현재까지 다양한 재료의 개발과 소자 구조에 대한 연구로 급속히 효율의 향상을 보여주고 있다(그림 4).2000년 초에 가장 먼저 단분자 유기박막 태양전지가 효율의 혁신이 이루어졌고, 뒤이어 PPV계나 PT계 도너 고분자에 PCBM을 액셉터로 적용한 태양전지로, 가장 최근에는 로우 밴드갭 고분자를 적용한 태양전지의 효율이 급속히 증대되고 있는 추세이다. 본 절에서는 이들 사용 재료를 기준으로 현재 진행되고 있는 해외 기술동향을 간략히 살펴보고자 한다.단분자 유기박막 태양전지단분자 유기박막 태양전지는 활성층을 저분자 물질들의 순차적인 열증착을 통해 적층하는 방법인데, 초기에는 단분자/단분자 bi-layer 구조가 1986년 C.W. Tang의 발표 이후 초기에 가장 많이 시도되었다. 2005년에는 포레스트(Forrest) 그룹에서 도너 층과 액셉터 층 사이에 (D+A)의 혼합 계층을 도입한 ‘하이브리드 도너-액셉트 몰레큘러 헤테로정션’ 구조를 사용하여 4.4~5%의 에너지 전환효율을 얻었고[11], 2007년에는 홍콩의 리(Lee)그룹에서 엑시톤 블로킹 레이어로 BPhen(bathophen- anthroline)을 사용하고, 도너와 액셉터층 사이에 도너와 액셉터가 흡수하는 영역 이외의 광을 흡수할 수 있으며 도너보다 일함수가 큰 HOMO 수준을 갖는 형광물질인 루벤 (5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene)을 도핑한 ITO/CuPc (10nm)/50% rubrene:CuPc (10nm)/50% rubrene:C60 (10nm)/C60 (30nm)/BPhen (5nm)/Al 구조의 소자를 사용하여 Jsc와 Voc를 동시에 향상시켜 5.58%의 효율을 달성한 것을 보고하고 있다.[12]단분자를 이용한 태양전지에서 고효율화를 위한 다른 접근 방법은 ITO/CuPc/PTCBI /Ag/CuPc/PTCBI/Ag 구조처럼 두 개의 셀 사이에 전극을 증착시켜 두 개의 소자를 직렬로 연결시킨 탠덤 셀(tandem cell)을 만드는 것이다. 이러한 구조는 광전류의 손실을 가져오지만 개방전압을 두 배로 증가시키므로 비교적 쉽게 소자의 효율을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 2004년 포레스트 그룹에서 탠덤 셀로 단락 전류 9.7mA/cm2, 개방전압은 1.03 V를 얻어, A.M. 1.5 조건에서 5.7% 라는 단분자 유기박막 태양전지 중 가장 높은 에너지 전환 효율을 보고하였다.[2]고분자 유기박막 태양전지단분자 유기박막 태양전지의 경우는 단분자 물질인 도너와 액셉터를 차례로 열 증착하는데 반하여, 고분자 유기박막 태양전지는 도너와 액셉터의 최소한 한쪽을 고분자를 사용하고 용매공정을 통하여 광활성층을 도입할 수 있어 대면적화와 비용적인 측면에서 장점을 가진다. 이때 활성층은 도너와 액셉터가 섞여있는 ‘BHJ(bulk D/A hetero-junction)’ 구조가 되는 것이 일반적이다.고분자/고분자반도체 고분자와 C60사이에서 발생하는 PICT 현상이 C60의 높은 전자 친화도에 기인한다는 점에 착안하여 전자친화도에 차이가 있는 고분자들 간의 블렌드를 이용하여 태양전지를 제작할 수 있다. 액셉터 물질로 전자친화도가 높은 고분자를 사용하면, 풀러린 유도체나 무기물 나노입자를 이용하는 경우에 발생되는 상 분리의 문제를 해결할 수 있으므로 더욱 균일한 활성층 박막을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 장기 안정성에도 도움이 될 것이다. 이러한 구조의 전지는 1995년에 영국 캠브리지 대학과 미국 UCSB 대학에서 동시에 MEH-PPV와 CN-PPV을 이용한 결과가 발표되면서 시작되었다.[13-14] 고분자/고분자 태양전지는 대체적으로 낮은 광전류를 보이고 있지만, 1V 이상의 매우 높은 개방전압을 가지는 특성을 가지고 있다. 따라서 광전류 값만 향상된다면 저렴한 재료에 손쉬운 제작 공정으로 매우 경제성이 큰 태양전지의 제작이 가능하리라 생각된다. 2003년, 영국의 CDT(Cambridge Display Technology) 사에서는 P3HT와 Red-polyflourene co-polymer의 복합재를 사용한 태양전지를 이용하여 AM 1.5 조건에서 1V의 개방전압과 2% 대의 효율을 달성하였다고 발표하였으며[15], 2007년에도 1.8% 효율의 고분자/고분자 유기박막 태양전지를 발표하여[16] 고분자/고분자를 활성층으로 사용하는데 관심이 꾸준함을 보여주고 있다.고분자/C60 유도체단분자 태양전지에 비하여 상대적으로 낮은 효율을 보이던 고분자 태양전지의 효율이 2000년대 초 급격히 향상할 수 있었던 데는 C60에 치환기를 도입하여 유기 용매에 잘 녹는 PCBM을 액셉터 물질로 사용하면서이다. 최초의 BHJ구조는 MEH-PPV와 PCBM의 혼합물을 이용하여 제작되었다.[6] 도너 고분자로 MEH-PPV나 MDMO-PPV의 적용은 유기박막 태양전지의 경우 2~3%의 에너지 전환 효율을 쉽게 얻을 수 있게 하였다. 그 이후, MEH-PPV보다 로우 밴드 갭을 가지면서 비교적 결정성이 큰 polythiophene 계열의 고분자인 P3HT를 이용하여 여러 그룹들에서 4~6%의 비교적 높은 효율들을 발표하고 있는데[17-19], P3HT/PCBM의 조합은 현재까지 시장에서 구입할 수 있는 재료들을 이용하여 실험실 단계에서 검증할 수 있는 것 중 가장 좋은 효율을 낼 수 있는 고분자 태양전지 활성층 조성이라고 할 수 있다.고분자/무기물 하이브리드기존의 전자 액셉터로 사용하던 유기 반도체 물질을 새로운 무기계 물질로 대체하여 사용하려는 시도가 최근에 진행되고 있다. 이는 기존의 전자 액셉터로 사용되는 유기 반도체들이 대체로 낮은 전자 이동도를 가지고 있어 이를 전자이동도가 큰 물질로 대체함으로써 극복하려는 것이다.이러한 새로운 형태의 유기박막 태양전지는 액셉터 재료의 종류에 따라 무기 나노입자와 탄소 나노 튜브 복합재로 구분 할 수 있다. 전자의 경우는 무기성 나노입자나 나노막대를 전자 액셉터로 사용하는 시도로, 액셉터 물질로 CdSe 나노입자를 사용하는 경우가 현재까지 가장 좋은 효율을 보여주고 있다. CdSe의 경우 CdSe 나노입자의 모양과 유기박막 태양전지 소자 제조 프로세스에 따라 1.7~2.8%까지의 에너지 변환 효율을 보고하고 있다.[20-21] 그 이외의 다양한 반도체성 무기 나노입자를 액셉터로 이용한 시도가 이루어지고 있으나 아직은 CdSe에 비하여 효율이 상당히 떨어지는 것이 현실이다. 후자인 탄소 나노 튜브 복합재를 액셉터 물질로 사용하는 경우는 아직 효율이 0.1% 미만으로 가능성만 열어놓은 상태이다.로우 밴드갭 고분자로우 밴드갭 고분자는 앞서 말한 고분자/C60 유도체에서 도너 고분자로 PPV계와 PT계 고분자를 주로 사용하던 것을 좀 더 밴드갭이 낮은 고분자로 바꾸는 최근의 시도라고 할 수 있다. 이는 고분자 태양전지에서 10% 대의 에너지 변환 효율을 얻기 위해서는 밴드갭이 낮은 고분자를 사용하여 보다 넓은 영역의 태양광을 이용해야 한다는 필요성에 기인한 것이다.2006년에 코나르카에서는 cyclopentadithiophene과 benzothiadiazole을 공중합하여 광학적 밴드갭이 1.40eV인 고분자를 개발하였고, 이 고분자를 이용한 유기박막 태양전지의 제작조건을 변화시킴으로써 2006년에서 2007년 사이에 3.16%에서 5.5%까지 효율을 향상시키는 논문을 연속적으로 발표하고 있다.[9,22-23] 가장 최근에는 광주과기원의 이광희 교수팀과 UCSB의 히거 그룹이 공동으로 위의 로우 밴드갭 고분자와 P3HT 고분자를 탠덤 셀의 도너 고분자로 사용함으로써 6.5%의 고분자 박막 태양전지에서 기록적인 효율을 달성하였다.[3] 네덜란드의 S. 빈스트라(C. Veenstra) 그룹에서도 앞서 앤더슨 그룹에서 2.2%의 효율을 얻은 PFDTBT와 비슷한 구조이나 flourene의 치환기를 C10으로 바꾼 PF10TBT를 도너 고분자로 사용하여 2007년에 4.2%의 효율을 얻었고[24], 홍콩의 웡 그룹은 백금을 매개체로 한 로우 밴드갭 고분자를 이용하여 평균 4.1% 효율을 얻었다. 이와 같이 최근 2~3년간 새로 개발한 로우 밴드갭 고분자를 이용한 태양전지 효율의 급속한 증대를 보여주는 일련의 연구들은 고분자 태양전지를 이용한 10%의 효율 달성의 가능성을 높이고 있다.특허 동향 분석한국, 미국, 일본, 유럽에 출원된 유기박막 태양전지 분야 특허 중 총 653건의 특허를 분석해본 결과 일본, 미국, 독일 3개국의 국적을 가진 출원인이 제출한 특허가 전체의 85% 이상을 차지하고 있으며, 2000년 이후에 출원된 특허가 전체 특허의 75% 이상을 차지하고 있어, 유기박막 태양전지 분야는 아직 몇몇 선진국을 중심으로 한 연구 단계로 2000년 이후 급속히 연구개발 되고 있는 분야임을 확인 할 수 있다.또한 그림 5(c)에서 보는 바와 같이 직접 상업화에 필요한 모듈, 기판, 밀봉 등의 생산에 직접 연관된 내용보다는, 60% 이상의 논문이 태양전지의 구조와 활성층 재료에 관한 내용인 것으로 아직 연구 초기단계에 머물러 있다는 것을 알 수 있다. 연구의 방향은 전체적으로 단분자 유기박막 태양전지에 관한 특허가 48%를 차지하고 있으나 1990년대 특허가 많은 부분을 차지하고 있어, 2000년 이후에는 고분자 유기박막 태양전지 쪽의 연구가 더 활발히 이루어짐을 알 수 있고, 그 중에서도 PCBM과 같이 유기물 단분자를 액셉터로 사용한 것이 대세를 이루고 있음을 알 수 있다.국내 개발 동향C60계의 사용을 본격적인 연구개발의 착수 시점으로 보더라도 90년대 초중반에 시작한 외국에 비해 국내 연구는 6~7년 정도 늦은 2000년대 초반부터 시작되었다. 초기의 유기박막 태양전지에 대한 연구는 부산대 팀에 의해 MEH-PPV와 PCBM의 복합재를 이용한 전지에서 단색광에서도 1~2%의 낮은 효율을 보고하였고[25], 인하대 팀도 단분자인 CuPc와 C60의 이중층 구조를 이용하여 1% 이하의 에너지 전환 효율을 보였다.[26] 이러한 초기의 연구들을 바탕으로 최근에는 부산대, 광주과기원, 서울대, KAIST, 포항공대, 서강대와 같은 대학을 중심으로 유기박막 태양전지에 대한 연구가 확대되고 있다.특히 광주과기원은 히거(Heeger) 신소재 연구센터를 세워 미국 UCSB와 공동으로 유기박막 태양전지 연구를 수행하고 있는데, 작년에는 코나르카사의 신소재를 이용하여 2층 탠덤 형태로 제작된 고분자 태양전지에서 세계 최고의 효율인 6.5%를 보고하였다.[3] 한편, 한국화학연구원 등의 출연(연)과 삼성SDI 등의 기업연구소에서도 그동안의 염료감응형 유기전지에 대한 연구를 바탕으로 유기박막 태양전지에 대한 연구를 가속화하기 시작하였다. 본 한국화학연구원에서는 2002년 이래 가장 핵심인 신소재 합성을 중심으로 소자화까지의 연구를 꾸준히 수행해 오고 있는데, 현재 단층구조의 태양전지에서 세계 수준인 5% 대의 에너지 전환효율을 구현하고 있다. 최근에는 KIST, 생산기술연구원, DGIST 등 출연(연)과 S기술원, K그룹연구소 등의 기업연구소에서도 유기박막 태양전지에 대한 연구를 진행하려는 움직임이 있다.현재 국내의 유기박막 태양전지에 대한 연구 역사는 선진국에 비해 짧고 연구층도 매우 엷은 편이지만, 유사 분야인 유기발광 소자에 대한 연구가 지난 10여 년간의 활발한 연구를 바탕으로 지난해부터 이미 상용화되고 있음을 고려할 때, 이러한 기술을 유기박막 태양전지 개발에 응용한다면 선진국과의 기술 격차는 매우 빠른 시간 내에 줄일 수 있을 것으로 보여진다. 또한 신물질이나 신소재 합성기술, 소자 제작기술 등 기반이 되는 기술들도 이미 국내 수준이 상당히 올라와 있기 때문에 본 분야에 보다 적극적인 연구개발 투자가 이루어진다면 수년 내에 선진국 수준의 결과도 가능하리라고 생각된다. 결국, 본 유기박막 태양전지 분야는 이제 막 기술적 가능성을 확인하고 본격적인 연구개발이 시작되고 있는 분야로서, 선진국이나 국내 모두 효율과 수명 향상, 대면적화 등 실용화를 위해 훨씬 많은 일이 요구되는 초기 개발단계에 있다고 볼 수 있다.전망 및 결론현재 값싸고 다양하며 종이처럼 얇아 손쉽게 대면적으로 제작이 가능한 유기박막 태양전지는 미국, 일본, 유럽연합 등 선진국 중심으로 많이 연구되고 있으며, 국내의 수준도 짧은 연구 역사에 비해서 상당한 수준에 도달해 있는 상태이다. 태양전지의 전반적인 시장과 기술 발전 추이에 비춰볼 때 현재의 유기박막 태양전지 기술은 기존의 다른 무기계 전지들에 비해 연구개발 초기단계에 있음을 역시 부인할 수 없으나, 유기박막 태양전지의 효율이 최근 3~4년 사이에 두드러지게 향상되고 있어 이 같은 추세라면 실용화 수준의 효율 달성도 멀지 않은 것처럼 보여진다.그러나 10% 이상의 에너지 전환 효율을 얻기 위해서는 전하 이동속도가 향상된 로우 밴드갭 도너 물질, 도너 물질에 최적화된 밴드갭을 갖는 액셉터 물질 등의 신재료 개발과, SPR (surface plasmon resonance) 현상의 적용, 업-컨버전(up-conversion)이나 다운-컨버전(down-conversion) 등을 통한 광 이용 효율의 향상 등 신개념을 적용한 새로운 형태의 소자 개발 등이 필수적으로 요구되고 있다. 또한 조기 실용화를 위해 내구성 향상을 위한 encap 기술과 새로운 프린팅 기법 등을 적용한 대면적화 기술들이 향후 중요한 화두가 될 것으로 보인다. 따라서 이들 핵심적인 신소재, 신소자화 기술 등과 함께 OLED 등 이미 산업적 기반을 갖고 있는 국내의 연구개발력을 최대한 활용한다면 2015년 정도의 멀지 않은 장래에 세계를 선도할 또 하나의 신성장 동력 창출도 가능할 것으로 생각된다.

<EPNC>

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2008년 3월호
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