고효율·고안정성 유기 태양전지용 소재 개발

[산업일보]
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.

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.

경상국립대학교 화학과 김윤희 교수 연구팀은 전자 주개 고분자의 일부와 저분자 전자 받개 사이를 연결하는 새로운 이량체 비플러렌계 소재를 설계·합성해 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 성공했다.

연구팀은 18% 이상의 높은 광전 변환 효율과 6천 시간 이상의 수명 안정성을 유지하는 새로운 소자를 개발해 유기 박막 태양전지의 실질적인 실용화 가능성을 제시했으며, 연구성과를 국제학술지 줄(Joule)에 게재했다.

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.

한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 8월 수상자로 경상국립대학교 화학과 김윤희 교수를 선정했다. 김 교수가 고효율·고안정성의 유기반도체 소재 원천 기술을 개발해 유기 태양전지 등 차세대 전자소자의 상용화 발판을 마련하고 국가 산업 경쟁력을 강화한 공로를 높게 평가했다고 밝혔다.