[인더스트리뉴스 최용구 기자] 차세대 태양전지로 주목받는 유기 태양전지의 상용화에 청신호가 켜졌다. 유기 태양전지 효율 저하의 원인으로 지목되던 ‘뭉침 현상’에 대한 제어 방안을 국내 연구진이 확보했다.

유기 태양전지는 광활성층에 유기 소재를 사용한 것을 일컫는다. 기존 실리콘 태양전지보다 가볍고 유연하며 반투명한 제작도 가능한 차세대 태양전지로 거론된다. 

하지만 소자 제작 과정에서 발생하는 유기 소재의 뭉침 현상 때문에 높은 효율을 내기 어려웠다. 

UNIST(총장 이용훈) 화학과 김봉수 교수팀과 KIST(원장 윤석진) 차세대 태양전지 연구센터 손해정 박사팀은 ‘고효율의 대면적 유기 태양전지 소재’를 최근 개발했다. 연구진은 n형 반도체와 p형 반도체가 섞이는 혼화성(Miscibility)을 조절해 뭉침을 제어했다. 

우선 전자를 받아들이는 전자수용체 말단에 위치한 원자를 도입해 ‘비대칭 n형 반도체’를 만들었다. 아울러 반도체의 고분자화합물을 이루는 두 종류의 단량체를 결합시킨 새로운 ‘p형 공중합체(co-polymer) 반도체’를 제작했다.  

p-형 공중합체 반도체와 비대칭 n-형 반도체 블렌드 필름의 원자힘 현미경 이미지 [자료=UNIST]

연구팀은 대면적 유기 태양전지 소재에 더해 박막의 거칠기 제어가 가능한 광활성층 필름도 제작했다. 개발된 이들 반도체들을 적용한 대면적 유기 태양전지는 58.5cm²의 큰 면적에서도 11.28%의 전력 변환 효율을 기록했다. 이는 기존 발표된 비슷한 크기의 유기 태양전지 수준(6.69%)보다 높다. 

또한 1.0 cm² 활성 영역의 소자와 58.5 cm² 활성 영역 소자의 충진율 차이가 적게 나타났다. 1.0 cm² 활성 영역 소자 대비 80% 수준의 전력 변환 효율을 대면적에서도 유지했다. 

유기 태양전지의 상용화를 위해선 대면적 소자에서의 전력 변환 효율을 높이는 게 관건이다. 광활성 필름에 사용되는 유기 소재 간 뭉침 현상이 생길 경우 태양전지 성능 지표인 ‘충진율’이 떨어진다. 그만큼 고효율의 대면적 유기 태양전지 제작이 어려워진다.

참여 연구진. (왼쪽부터) UNIST Peddaboodi Gopikrishna 연구원, UNIST 엄두현 연구원, UNIST 김봉수 교수 [사진=UNIST]

연구에선 비대칭 n-형 반도체, IPC1CN-BBO-IC2F, IPC1CN-BBO-IC2Cl 등을 개발했다. p-형 공중합체 반도체, PM6-PBDBT(55) 등도 새로 개발했다. 기존  p-형 고분자 반도체인 PM6와 PBDB-T에 사용된 두 종류의 단량체를 같은 비율로 ‘공중합’한 형태다. 

연구진은 비대칭 n-형 반도체와 p-형 공중합체 반도체의 화학적인 구조 변화가 대면적 유기 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있음을 밝혀냈다. 대면적 유기 태양전지 소자 제작에 적합한 유기 소재들을 보고했다. 

UNIST 김봉수 교수는 “고효율 대면적 유기 태양전지 제작을 위한 유기 소재들의 새로운 방향을 제시한 것”이라고 강조했다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 지난 7월 14일 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 온라인 게재됐다. 

[최용구 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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