GIST, 비풀러렌 유기태양전지 성능 향상 신규 물질 공동 개발

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광주과학기술원(GIST)은 홍석원 화학과 교수팀이 김지선 영국 임페리얼 칼리지 런던(ICL) 교수팀과 공동으로 차세대 태양전지로 각광받는 비(非)풀러렌 유기태양전지 성능과 안정성 향상을 위한 신규 음극 계면층 물질을 개발했다고 11일 밝혔다.

차세대 태양전지로 비풀러렌 유기태양전지는 20%에 가까운 에너지 전환효율로 주목받고 있다. 하지만 기존 음극 계면층 물질은 저온공정이 힘들거나 안정성 문제로 휘어져 유기태양전지와 같은 고기능성 태양전지 개발에 걸림돌이 되고 있다.

기존 음극 계면층 물질의 불안정성 원인 규명 메커니즘 및 신규 음극 계면층 물질의 화학적 안정성에 관한 이미지.
<기존 음극 계면층 물질의 불안정성 원인 규명 메커니즘 및 신규 음극 계면층 물질의 화학적 안정성에 관한 이미지.>

연구팀은 새로운 음극 계면층 물질을 개발해 비풀러렌 유기태양전지 성능과 안정성을 동시에 높이는데 성공했다.

2차원 핵자기공명 실험과 동위원소 표지 실험을 통해 대표적인 음극 계면층 물질로 알려진 폴리에틸렌이민과 비풀러렌 억셉터 사이의 화학반응을 명확히 규명했다. 이를 통해 폴리에틸렌이민의 아민기가 광활성 소재로 사용되는 비풀러렌 억셉터의 역할을 방해한다는 것을 확인했다.

저온 용액공정이 가능한 폴리에틸렌이민 장점을 살리면서 반응성이 높은 아민기를 이민기로 치환해 비풀러렌 억셉터와 반응성을 없애고 쌍극자 모멘트를 강화시킨 화학구조를 도입해 새로운 음극 계면층 물질을 개발했다.

홍석원 GIST 교수.
<홍석원 GIST 교수.>
김지선 ICL 교수.
<김지선 ICL 교수.>

새로 개발한 음극 계면층 물질을 다양한 광활성 소재를 가진 태양전지에 적용, 15% 이상 높은 에너지 전환효율과 100℃ 이상 환경에서 360시간 이상 초기 성능을 거의 유지하는 안정성을 입증했다.

홍석원 교수는 “신규 음극 계면층 물질 개발을 통해 비풀러렌 유기태양전지 에너지 전환효율과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있었다”며 “다양한 치환체 도입으로 음극 계면층 물질 개발로 휘어지는 태양전지와 같은 고기능성 태양전지 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 GIST 홍석원 교수와 경민규 박사, ICL 김지선 교수와 이진호 박사의 국제공동연구를 통해 이뤄졌다. GIST 연구원(GRI) 사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 재료화학 및 에너지소재 분야 세계적인 과학학술지인 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이' 표지논문으로 온라인 게재됐다.

광주=김한식기자 hskim@etnews.com