8월 과학기술인상, 경상대학교 김윤희 교수 선정

- 고효율·고안정성 유기 태양전지용 소재 개발

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 경상국립대학교 화학과 김윤희 교수를 선정했다고 지난달 2일 밝혔다.
  ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 상이다.
  과기정통부와 연구재단은 김윤희 교수가 고효율·고안정성의 유기반도체 소재 원천 기술을 개발하여 유기 태양전지 등 차세대 전자소자의 상용화 발판을 마련하고 국가 산업 경쟁력을 강화한 공로를 높게 평가했다고 밝혔다.
  태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로 빛이 비치는 곳 어디서나 전기를 생산할 수 있는 친환경적 전력원이다. 특히 유기 태양전지는 유연하고 투명한 기판에도 제조가 가능하며, 가볍고 휴대가 편리해 유비쿼터스 환경과 유연 전자기기에 적합한 전력 공급원으로 주목받으며 시장성도 급속히 커지고 있다.
  태양빛을 에너지로 전환하는 높은 광전 변환효율과 장기 안정성은 유기 태양전지 상용화의 기본 조건이다. 최근 유기 태양전지는 높은 광흡수 능력과 빠른 전하이동도를 확보해 전력 변환효율을 획기적으로 개선했지만, 박막의 장기 안정성은 여전히 부족한 실정이다.
  유기 태양전지의 광활성층은 태양빛을 받아 전자를 만들어 보내는 전자 주개(Donor) 물질과 전자 주개에서 전자를 받는 전자 받개(Acceptor) 물질로 구성된다. 기존 저분자 전자 받개는 효율은 높지만 시간이 지나면 안정성이 감소했으며, 고분자 전자 받개는 박막 안정성은 우수하나 효율이 상대적으로 낮았다.
  김윤희 교수 연구팀은 전자 주개 고분자의 일부와 저분자 전자 받개 사이를 연결하는 새로운 이량체 비플러렌계 소재를 설계·합성하여 문제해결의 실마리를 찾았다.

  연구팀은 일정한 분자량을 갖는 단분자 소재의 장점과 박막 특성이 안정적인 고분자 소재의 장점을 모두 살린 이량체 비플러렌계 소재를 기반으로 고효율·고안정성 유기 태양전지 소자 개발에 성공하였다. 연구팀은 18% 이상의 높은 광전 변환 효율과 6,000시간 이상의 수명 안정성을 유지하는 새로운 소자를 개발하여 유기 박막 태양전지의 실질적인 실용화 가능성을 제시했으며, 연구성과를 국제학술지 줄(Joule) 3월호에 게재하였다.
  김윤희 교수는 “이번 연구는 장기 안정성과 고효율의 기계적·전기적 특성을 동시에 가지는 이합체 전자 받개 소재 개발에 대한 새로운 개념을 제시한 데 의의가 있다”라며 “앞으로 환경 친화적 대체 에너지인 유기태양전지 상용화로 언제 어디서나 친환경 에너지를 쓸 수 있게 되기를 기대한다”라고 밝혔다.

[주요 연구성과]

<고효율·고안정성 유기 태양전지용 소재 개발 >

그림 1. 두 개의 저분자 비플러렌계를 도너 고분자와 같은 구조 일부와 연결한 새로운 이합체 소재 개발
유기 태양전지의 높은 광전 변환 효율을 위해서는 높은 광흡수 능력과 빠른 전하이동도가 필수적이다. 장기 안정성을 위해서는 높은 박막 안정성이 요구된다. 하지만 도너 소재와 억셉터 소재의 벌크헤테로졍선 타입으로 제작되는 유기태양전지의 경우 저분자 억셉터 소재는 고효율을 보이지만 시간이 지나면서 분자들끼리 뭉쳐지는 특성으로 안정성이 감소한다. 반면 고분자 억셉터 소재는 박막 안정성은 우수하나 효율이 상대적으로 낮은 단점이 있다. 본 연구에서는 두 개의 저분자 비플러렌계를 도너 고분자와 같은 구조 일부와 연결한 새로운 이합체 소재를 개발했다. 이합체 구조는 기존 저분자 소재보다 LUMO(Lowest unoccupied molecular orbital) 준위를 향상시켜 태양전지 억셉터로 적용한 경우 저분자 소재에 비해 상대적으로 높은 개방 전압을 가져 효율을 크게 상승시켰다. 또한 이합체의 연결이 도너 구조와의 혼합성이 향상되어 박막 안정성이 유지되었으며 이합체의 높은 유리전이온도(Tg)로 인해 분자 확산이 억제되어 높은 장기 안정성을 가지는 것으로 보고했다.

           (a)                      (b)                            

                     (C)        
그림 2. 높은 개방전압과 광전환 효율(a,b)과 효율 및 높은 장기 안정성(c) 
이합체 구조는 기존 저분자 소재보다 LUMO 준위를 향상시켜 태양전지 억셉터로 적용한 경우 저분자 소재에 비해 상대적으로 높은 개방 전압을 가져 효율을 크게 상승시켰으며 그 결과 기존 연구대비 가장 높은 개방전압 특성과 높은 광전환 효율을 보였다.(a,b)
이합체의 연결이 도너 구조와의 혼합성이 향상되어 박막 안정성이 유지되었으며 이합체의 높은 유리전이온도(Tg)로 인해 분자 확산이 억제되어 높은 장기 안정성을 가지는 것으로 보고했다.(c)

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 9월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>