UNIST 김봉수 교수팀, 태양전지 효율 저하 없는 고기능 가교제 개발
다중 분석기법으로 고효율 원인 규명…ACS Energy Lett. 게재

김봉수(왼쪽) 교수와 이명재 연구원. UNIST 제공

국제공동연구진이 유기태양전지의 고질병인 수명 문제를 해결할 수 있는 첨가제(가교제)를 개발했다. 이 가교제를 0.05%만 넣으면 수명 성능이 59% 이상 개선된 유기 태양전지를 만들 수 있다. 차세대 태양전지로 주목받는 유기태양전지의 상용화에 한 걸음 더 다가섰다는 평가다.

울산과학기술원(UNIST, 총장 박종래) 화학과 김봉수 교수 연구팀은 미국 UC산타바바라, 프랑스 릴대학교, 국립과학연구센터(CNRS) 연구진과 함께 장수명 유기태양전지를 만들 수 있는 가교제를 개발하고, 이 가교제의 작동원리를 다중 분석 기법을 통해 규명했다.

유기태양전지는 제조가 쉽고 필름 형태로 찍어 유연하게 붙일 수 있는 차세대 태양전지다. 하지만 유기물의 특성상 열에 약해 오래 쓰기가 어렵다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 유기물 성분을 단단히 연결해 보호하는 가교제를 첨가하는 전략이 연구됐지만, 전지 수명을 늘리기 위해 가교제가 과량 첨가되면서 전지 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

그림. 본 연구에 사용된 물질의 화학구조, 태양전지 구조와 연구 모식도(좌측 측하단), 태양전지 효율(우측 하단) 현재 유기 태양전지 분야에서 가장 많이 사용되는 PM6, Y6 화학구조와 광가교제 6Bx 구조. PM6:Y6 광활성층에 6Bx를 첨가하여 스핀 코핑 방법으로 제작함. 제작한 유기 태양전지는 80℃에서 1680 시간 동안 큰 변화를 보이지 않았고, 이러한 이유가 Y6의 가교 유무가 유기 태양전지의 효율 변화에 핵심 요소인것을 나타냄. 가교를 통한 Y6의 움직임을 억제함으로써 1680 시간이 지남에도 불구하고, 초기 효율 대비 90% 이상의 높은 안정성의 유기 태양전지를 구현함. UNIST 제공

공동연구팀은 소량만 첨가해도 안정화 효과를 낼 수 있는 고효율 광가교제 6Bx를 개발했다. 이 광가교제는 가교 분자 하나가 6개의 가교 결합을 형성할 수 있어, 이론적인 광가교효율이 96%에 이른다. 이는 일반적인 광가교제의 이론적인 가교 효율인 36%와 비교하여 매우 높은 수준이다.

개발한 가교제를 넣어 만든 유기태양전지는 85℃에서 1680시간이 경과한 후에도 11.70%의 효율을 기록했다. 이는 초기효율의 93.4%에 해당하는 값이다. 반면 가교제를 넣지 않은 전지는 그 효율이 초기효율 13.92%의 58.7%에 해당하는 8.17%로 떨어졌다. 수명 성능이 약 59% 이상 개선된 효과다.

또 연구팀은 고성능 원인이 광가교제가 가교 반응을 통해 Y6의 분자 이동을 효과적으로 억제한 결과임을 규명했다. Y6는 유기태양전지 광활성층의 전자수용체다.

김봉수 교수는 “고효율 광가교제 개발을 통해 유기 태양전지의 고질적인 안정성 문제를 해결하고, 나아가 그 원리를 규명하는 데 성공했다”며 “이번 연구는 유기 태양전지 상용화를 위한 안정성 향상 기술 개발에 매우 중요한 기여를 할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 미국 UC산타바바라의 툭-퀜 응우옌(Thuc-Quyen Nguyen ) 교수, 프랑스 릴대학교 소속이자 국립과학연구센터의 촉매 및 고체화학 연구소 연구원인 마주나타 레디(G. N. Manjunatha Reddy) 교수팀이 함께 했다.

UNIST에서는 화학과 이명재, 유성주 연구원이 참여했다.

연구수행은 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구결과는 지난달 10일 에너지 분야의 세계적인 학술지인 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 출판됐다.

송현수 기자 songh@busan.com