– KRICT-POSTECH 공동연구팀, 저분자 유기태양전지의 고질적 상분리 문제 해결
– 저분자 유기태양전지 ‘세계 최고 충전율 달성’…넓은 면적·긴 수명 가능해져

유기태양전지는 플라스틱과 같은 유기물을 이용해서 빛을 전기로 전환하는 태양전지를 의미한다. 하지만 유기태양전지의 본격적인 상용화를 가로막는 치명적인 단점이 바로 낮은 변환 효율과 안정성이다.

최근 POSTECH은 한국화학연구원(KRICT, 원장 이미혜)와 공동연구로 유기태양전지의 낮은 변환효율과 짧은 수명 불안정성을 해결할 수 있는 해답을 분자량이 적은 ‘저분자’에서 찾았다.

화학공학과 박태호 교수, 통합과정 류승운 씨, 박사과정 김홍일 씨 팀은 한국화학연구원(KRICT) 이종철 박사, 송창은 박사팀과의 공동연구를 통해 고성능 유기태양전지의 핵심 소재인 신규 광흡수층 물질에 할로젠 원소^*1를 적용함으로써, 태양전지의 효율을 떨어뜨리고 안정성을 감소시키는 것으로 지적되어온 광흡수층의 상분리 문제를 개선하는 데 성공했다. 이 논문은 에너지 분야에서 권위 있는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 최신 온라인판에 게재돼 주목받고 있다.

최근 유기태양전지 분야에서 광흡수층으로 사용하는 저분자 물질들은 고분자 물질들에 비해 간단한 합성 방법으로 공정 단가를 절약할 수 있을 뿐 아니라 고분자 물질이 가진 고질적인 문제인, 합성배치마다 광전기적 특성이 달라지는 문제를 해결하기 위한 수단으로써 관심을 끌고 있다.

그러나 저분자 유기태양전지는 고분자 소자에 비해 광흡수층의 상분리 현상으로 인해 효율이 감소하고, 안정성이 저하되는 치명적인 문제점들이 있다.

이에 연구팀은 할로젠 원소를 도입하여 신규 저분자 물질을 개발해 쌍극자 모멘트(dipole moment)^*2 세기 변화를 유도했다. 쌍극자 모멘트의 세기 변화를 통해 억셉터 물질로 사용된 풀러렌 분자와의 상호작용을 유도하여 풀러렌 분자끼리 뭉치는 현상을 완화시켰고, 심각한 상분리 문제를 개선하여 유기태양전지 광전변환효율을 높이고, 안정성을 향상시켰다.

연구팀은 최적화된 모폴로지^*3가 첨가제 없이 10.5%의 높은 전력변환효율을 나타내며, 저분자 기반 태양전지에서 78.0%의 충전율을 보이는 것을 확인했다. 또한, 상호보완적 광흡수가 가능한 탠덤형 태양전지^*4에 적용했을 때 최대 15.1%의 초고효율을 나타내는 것을 확인했다. 이는 지금까지 보고된 저분자 기반 태양전지의 최고 충전율 76.9%, 최고효율 15%보다 높은 수치이다.

연구팀은 할로젠 원자 중에서 특히 염소 원자가 적절한 분자 간 상호작용을 유도하고 벌크이종접합 모폴로지를 제어를 가능하게 하는 것을 확인함으로써 ‘고성능 저분자 태양전지’의 가능성을 제시했다.

연구를 주도한 박태호 교수는 “이 연구를 통해 화학첨가제 없이 저분자 유기태양전지의 세계 최고 충전율을 달성했으며, 탠덤형 태양전지에 적용하여 효율을 극대화했다”며 “신규 저분자 기반 광흡수 물질 개발의 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며 더 넓은 면적, 더 긴 수명의 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 전망했다.

한편 이 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지기술평가원, 과학기술정보통신부가 추진하는 글로벌 프런티어 사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐다.
 

1. 할로젠(halogen) 원소
주기율표 17족 원소로 플루오린(F)·염소(Cl)·브로민(Br)·아이오딘(I)·아스타틴(At)을 모두 일컫는다. 비금속 원소이며 전자를 얻기 쉬워 강력한 산화 작용을 나타낸다.

2. 쌍극자 모멘트(dipole moment)
전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment)라고도 불린다. 양전하와 음전하가 분리된 정도를 나타내는 벡터값으로 그 크기는 양전하의 크기와 양ㆍ음전하 사이의 거리와의 곱과 같으며, 그 방향은 보통 음전하에서 양전하로 향한다.

3. 모폴로지(morphology)
형태학으로 어떤 형체를 다루는 것을 의미한다.

4. 탠덤 태양전지
광 흡수 특성이 서로 다른 유·무기 반도체 소재를 연속으로 적층해 광전 변환 효율을 최대로 끌어올린 태양전지를 말한다.