□ 온실가스인 이산화탄소를 이용하여 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 새로운 유기반도체 도핑기법을 세계 최초로 개발한 연구결과가 과학 분야 최고 권위지인 ‘네이처(Nature)’최신호에 게재됐다.

∘ 지스트(광주과학기술원) 차세대에너지연구소 공재민 연구교수(2013년 지스트 신소재공학부 박사 졸업, 지도교수 이광희)는 신소재공학부 이광희 교수 연구팀, 뉴욕대, 예일대와 국제공동연구로 온실가스를 활용한 고성능 페로브스카이트 태양전지 제작기술을 개발하는데 성공했다.

□ 유기반도체는 OLED, 염료감응형태양전지 및 유기태양전지 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 현재 25.5%의 높은 에너지 전환효율로 실리콘 태양전지를 대체할 신재생에너지원으로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지에도 유기반도체가 필수적으로 사용된다.

∘ 페로브스카이트 태양전지에서 정공 수송 소재로 주로 스파이로 구조체인 Sprio-OMeTAD라는 유기반도체와 리튬비스마이드(LiTFSI)를 같이 혼합하여 사용하고 있다. 정공 수송 소재(Spiro-OMeTAD‧스파이로 구조물질)가 일정 수준 이상의 정공 전달 능력을 가지게 하려면 공기노출을 통한 산소 도핑이 필수적인데, 이는 보통 수 시간에서 많게는 하루 정도의 공정 시간을 필요로 해 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

□ 연구팀은 산소 대신 온실가스인 이산화탄소를 유기반도체 도핑에 활용하였고, 이산화탄소 도핑 효율을 높이기 위해 정공 수송 소재(Spiro-OMeTAD‧스파이로 구조물질)와 리튬비스마이드(LiTFSI)가 혼합된 용액에 이산화탄소를 버블링하는 기법을 도입하였다. 자외선 빛 아래에서 용액 속으로 이산화탄소를 불어넣어줌으로써 빠른 도핑을 유도할 수 있었고, 도핑 공정시간을 1분 수준으로 줄일 수 있었다.

∘ 연구팀이 개발한 이산화탄소 버블링 기법은 기존의 산소 도핑 기법 대비 공정시간을 100분의 1 수준으로 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 단시간에 유기반도체인 정공 수송 소재(Spiro-OMeTAD)의 전기전도도를 100배까지 끌어 올렸다. 따라서 이번 연구결과는 향후 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 기술로 활용될 전망이다.

∘ 또한 도핑에 사용된 이산화탄소는 탄산염 형태로 변환, 저장되기 때문에 유기반도체 도핑과 동시에 지속가능한 탄소원 포집 및 재활용 기술에 활용될 것으로 기대된다.

□ 지스트 공재민 박사는“이산화탄소 도핑 기법을 통해 페로브스카이트에 사용되는 유기반도체의 전도도를 단시간에 크게 향상시킬 수 있었다”면서, “더욱 흥미로운 점은 유기반도체가 도핑되는 과정에서 도핑에 사용된 이산화탄소는 탄산염 형태로 변환되어 저장되어지는데 이 과정을 잘 활용하면 유기반도체 도핑과 동시에 온실가스 저감 및 재활용에도 이용할 수 있을 것으로 전망한다”고 덧붙였다.

□ 지스트 차세대에너지연구소 공재민 연구교수가 제1저자로 연구를 주도하고 신소재공학부 이광희 교수 연구팀, 미국 뉴욕대(Andre D. Taylor 교수) 및 예일대 연구팀이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업 및 중점연구소사업(경상대) 등의 지원을 받아 수행되었으며, 연구결과는 과학 분야 세계 최고 권위지인 ‘네이처(Nature)’에 6월 2일자 온라인 게재됐다.