포스텍 연구팀, 최고 충전율·효율 태양전지 개발했다

유기태양전지 치명적 단점 ‘저분자’에서 찾아내

저분자 유기태양전지 ‘세계 최고 충전율 달성’

넓은 면적·긴 수명도 가능해져

사진은 포스텍 박태호 교수.

[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 화학공학과 박태호 교수, 통합과정 류승운 씨, 박사과정 김홍일 씨 팀이 한국화학연구원(KRICT) 이종철 박사, 송창은 박사팀과의 공동연구를 통해 태양전지의 효율을 떨어뜨리고 안정성을 감소시키는 것으로 지적돼온 광흡수층의 상분리 문제를 개선하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.

연구팀은 그 동안 유기태양전지의 상용화를 가로 막았던 광흡수층의 상분리 문제를 개선하기 위해 고성능 유기태양전지의 핵심 소재인 신규 광흡수층 물질에 할로젠 원소를 적용함으로써 유기태양전지의 낮은 변환효율과 짧은 수명 불안정성을 해결할 수 있는 해답을 분자량이 적은 ‘저분자’에서 찾아냈다고 설명했다.

이 물질은 현재까지 보고된 저분자 기반 태양전지 중 최고 충전율과 최고 효율을 기록했다고 덧붙였다.

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 해결할 수 있어 관심을 끌고 있다.
 
하지만 저분자 유기태양전지는 고분자 소자에 비해 광흡수층의 상분리 현상으로 인해 효율이 감소하고, 안정성이 저하되는 치명적인 문제점들이 상존해 왔다.

이에 연구팀은 할로젠 원소를 기반으로 신규 저분자 물질을 개발해 쌍극자 모멘트(dipole moment·양전하와 음전하가 분리된 정도를 나타내는 벡터값) 세기 변화를 유도했다.

이를 통해 억셉터 물질로 사용된 풀러렌 분자와의 상호작용을 유도해 풀러렌 분자끼리 뭉치는 현상을 완화하고, 심각한 상분리 문제도 개선해 유기태양전지의 광전변환효율을 높이고, 안정성도 향상했다.

연구팀은 최적화된 모폴로지(morphology·형태학으로 어떤 형체를 다루는 것을 말한다)가 첨가제 없이 10.5%의 높은 전력변환효율을 나타내며, 저분자 기반 태양전지에서 78.0%의 충전율을 보이는 것도 확인했다.

[포항=뉴시스] 강진구 기자 = 포스텍(총장 김무환)은 화학공학과 박태호 교수, 통합과정 류승운 씨, 박사과정 김홍일 씨 팀이 한국화학연구원(KRICT) 이종철 박사, 송창은 박사팀과의 공동연구를 통해 태양전지의 효율을 떨어뜨리고 안정성을 감소시키는 것으로 지적돼온 광흡수층의 상분리 문제를 개선하는 데 성공했다고 1일 밝혔다.사진은 관련 연구모형도.(사진=포스텍 제공) 2020.04.01.  [email protected]

상호보완적 광흡수가 가능한 탠덤형 태양전지(광 흡수 특성이 서로 다른 유·무기 반도체 소재를 연속으로 적층해 광전 변환 효율을 최대로 끌어올린 태양전지를 말한다)에 적용했을 때 최대 15.1%의 초고효율을 나타내는 것도 확인했다.

이는 현재까지 보고된 저분자 기반 태양전지의 최고 충전율 76.9%, 최고효율 15%보다 높은 수치이다.

연구팀은 할로젠 원자 중에서 염소 원자가 적절한 분자 간 상호작용을 유도하고 벌크이종접합 모폴로지 제어를 가능하게 하는 것을 확인함으로써 ‘고성능 저분자 태양전지’의 가능성을 제시했다는 평가를 받고 있다.

이 논문은 에너지 분야에서 권위 있는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 최신 온라인판에 게재됐다.

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

포스텍 박태호 교수는 “이 연구를 통해 화학첨가제 없이 저분자 유기태양전지의 세계 최고 충전율을 달성했으며 탠덤형 태양전지에도 적용해 효율을 극대화했다”며 “이는 신규 저분자 기반 광흡수 물질 개발의 새로운 패러다임을 제시한 것으로 더 넓은 면적, 더 긴 수명의 태양전지에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.


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