양창덕 울산과학기술원(UNIST) 교수와 고두현 성균관대 교수 공동 연구팀이 친환경 공정으로 최대 19.67%의 광전변환 효율을 기록한 고효율 유기태양전지를 개발했다. 인공지능(AI)이 분자 구조를 토대로 예측한 수치를 넘어선 성과여서 화제다.
유기태양전지는 원료를 용매에 녹여 기판에 코팅하는 방식으로 쉽고 저렴하게 만들 수 있다. 가볍고 휘어지며 넓은 면적으로도 만들 수 있어 건물 외벽이나 창문, 웨어러블 기기 등에 적용할 수 있는 차세대 태양전지다.
공동 연구팀은 원료 분자의 곁가지 구조를 새롭게 설계한 'YBOV' 분자를 이용해 고효율 전지 제조에 성공했다.
YBOV를 용매에 녹이면 분자끼리 뭉치는 현상이 나타나는데 이 뭉침이 광활성층 박막 형성 과정에서 결정 성장의 씨앗처럼 작용해 분자 배열을 더 질서 있게 만들고, 결국 전지 성능까지 향상시킨다.
YBOV는 다양한 광활성층 원료 조합에서도 뭉침 효과를 발휘해 전지 효율 향상에 기여한다. 광활성층은 태양빛을 받아 전하입자를 만드는 물질 층으로 광활성층 결정 배열이 반듯할수록 전지 성능도 좋아진다.
특히 YBOV를 독성 염소 용매가 아닌, 친환경 오쏘자일렌 용매에 녹여 만든 유기태양전지도 최대 19.67%의 높은 광전변환 효율을 나타냈다.
연구팀이 750개 유기태양전지 데이터를 학습시켜 만든 AI 모델은 이 같은 분자 간 뭉침 효과를 예측하지 못했다. AI 모델이 분자 하나의 구조만 보고 예측하기 때문에 용액 속 분자들이 뭉쳐 나타나는 복잡한 집단적 물리 현상까지 계산해내지 못한 것으로 연구팀은 분석했다.
양창덕 교수는 “이번 연구에서 분자 구조 자체 뿐만 아니라, 용액 상태의 집합 거동까지 고려한 새로운 설계 전략을 제시했다”며 “친환경 공정과 결합한 차세대 고효율 유기태양전지 상용화 가능성을 높여줄 것”이라고 말했다.
이 연구 결과는 지난달 어드밴스드 에너지 머터리얼즈에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com