염소 원자를 가진 광흡수 물질이 억셉터로 사용하는 풀러렌 기반 유도체와 혼합될 때 최적화된 네트워크를 유도하여 효과적인 전하 수송을 촉진한다.[포항공대 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 유기태양전지는 플라스틱과 같은 유기물을 이용해서 빛을 전기로 전환하는 차세대 태양전지다. 하지만 유기태양전지의 본격적인 상용화를 가로막는 치명적인 단점이 바로 낮은 변환 효율과 안정성이 꼽힌다.

포항공과대학교는 화학공학과 박태호 교수팀과 한국화학연구원 이종철‧송창은 박사 공동연구팀이 고성능 유기태양전지의 핵심 소재인 신규 광흡수층 물질에 할로젠 원소1를 적용, 효율과 안정성을 감소시키는 광흡수층의 상분리 문제를 개선하는데 성공했다고 1일 밝혔다.

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

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

공동연구팀은 할로젠 원소를 도입해 신규 저분자 물질을 개발해 쌍극자 모멘트 세기 변화를 유도했다. 쌍극자 모멘트의 세기 변화를 통해 억셉터 물질로 사용된 풀러렌 분자와의 상호작용을 유도해 풀러렌 분자끼리 뭉치는 현상을 완화시켰고, 심각한 상분리 문제를 개선해 유기태양전지 광전변환효율을 높이고, 안정성을 향상시켰다.

연구팀은 10.5%의 높은 전력변환효율을 나타내며, 저분자 기반 태양전지에서 78%의 충전율을 보이는 것을 확인했다. 또한 상호보완적 광흡수가 가능한 탠덤형 태양전지에 적용했을 때 최대 15.1%의 초고효율을 나타내는 것을 확인했다. 이는 지금까지 보고된 저분자 기반 태양전지의 최고 충전율 76.9%, 최고효율 15%보다 높은 수치다.

박태호 교수는 “이번 연구를 통해 화학첨가제 없이 저분자 유기태양전지의 세계 최고 충전율을 달성했으며, 탠덤형 태양전지에 적용해 효율을 극대화했다”며 “더 넓은 면적, 더 긴 수명의 태양전지에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com