대면적 유기 태양전지, 친환경·고효율로 상용화 가능성 열다

- 신규 광활성층 소재 개발로 대면적 유기태양전지 가능

- 유기 태양전지에서 최고 11.44% 광전 변환효율 달성

연구에 사용된 물질의 화학구조 및 대면적 유기 태양전지 효율 비교. (자료제공: GIST)

국내 연구진이 독성이 낮은 비할로겐 용매로 제작된 200㎠의 대면적 유기 태양전지에서 11.44%의 광전 변환 효율(PCE)을 달성했다. 

광주과학기술원(GIST, 총장 임기철)은 강홍규 차세대에너지연구소 책임연구원·이광희 신소재공학부 교수와 울산과학기술원(UNIST) 김봉수 교수 공동 연구팀이 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장함으로써 광활성층 필름의 균일도를 획기적으로 개선하고, 고효율의 대면적 유기 태양전지를 구현하는 데 성공했다고 8월 27일 밝혔다. 

유기 태양전지는 건물의 스마트 창문에서부터 웨어러블 기술까지 다양한 응용 분야에 쉽게 통합될 수 있는 잠재력이 있어 유기 태양전지의 상용화를 위한 대면적 유기 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 

기존 대면적 유기 태양전지는 독성이 강한 할로겐 용매를 사용하여 환경과 인체에 해로우므로 상용화에 어려움을 겪었고, 독성이 낮은 비할로겐 용매는 비풀러렌 억셉터의 ‘뭉침 현상’으로 필름의 균일도가 낮아져 유기 태양전지의 활성층의 면적이 커질수록 효율이 감소하는 문제가 있었다. 

연구팀은 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 방법을 사용했다. 비할로겐 용매에서 비풀러렌 억셉터의 용해도가 향상됨에 따라 뭉침 현상이 효과적으로 감소되어 200㎠의 큰 면적에서도 균일한 광활성층 필름을 형성할 수 있었다.

이번 연구는 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 것이 비할로겐 용매로 제작한 대면적 유기 태양전지의 효율을 향상시키는 데 효과적인 전략임을 입증하였으며, 이러한 접근법은 광활성층 내에서 비풀러렌 억셉터의 뭉침 현상을 줄이고 필름의 균일도를 크게 개선하여 대면적 유기 태양전지의 효율을 높였다.

알킬 체인이 확장된 신규 비풀러렌 억셉터들은 o-자일렌에 대한 용해도가 기존 L8-BO(EH-EH)에 비해 크게 향상되고 뭉침 현상이 억제되어 더 균일한 광활성층 필름을 형성하는 데 기여했다. 특히 알킬 체인이 비대칭적으로 확장된 비풀러렌 억셉터 중 L8-BO(HU-DT)가 포함된 혼합 필름에서 가장 적은 뭉침 현상이 확인되었다. 

강홍규 박사는 “이번 연구 성과를 통해 독성이 낮은 비할로겐 용매를 사용함으로써 차세대 유기 태양전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”며 “슬롯-다이 코팅 방법이 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정에 적합하여 대면적 유기 태양전지의 대량 생산 및 상용화 가능성을 크게 높였다”고 설명했다.

GIST 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원이 지도하고 차세대에너지연구소 이양수 연구원이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 기후변화대응기술개발사업, GIST 차세대에너지연구소 기관고유사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 재료 분야 세계적 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 7월 18일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]