경희대 응용화학과 고두현 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 권석준 박사팀은 빛 흡수층으로 고분자 물질 4가지를 특정 비율로 혼합해 사용하는 방식으로 유기태양전지의 효율을 10% 이상 높이고 수명을 획기적으로 늘리는 데 성공했다고 12일 밝혔다.
유기태양전지의 효율과 안정성을 동시에 높이는 새로운 기술로, 건물 창이나 외벽에 사용하는 창호형 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
유기태양전지는 실리콘 등 무기물질 대신 빛을 흡수하는 유기물질을 빛 흡수층으로 사용하는 태양전지다. 가격이 저렴하고 다양한 색상과 형태로 제작하기 쉬워 기존 실리콘 태양전지로는 불가능했던 새로운 응용 분야 적용이 가능할 것으로 기대를 모으고 있다.
유기태양전지는 빛을 받아 전자를 내놓는 도너(donor) 물질과 전자를 받는 억셉터(accepter) 물질이 혼합된 유기물질로 만들어진다. 하지만 그동안 유기태양전지는 작동 중에 도너와 억셉터가 지속해서 분리돼 효율과 수명이 저하되는 문제가 있다.
연구팀은 이를 개선하기 위해 빛 흡수층을 도너 물질 1개와 억셉터 물질 1개로 만드는 기존 방식 대신 고분자 물질 2개(PTB7, PCDTBT)를 도너로, 탄소화합물인 풀러렌계 고분자 2개(PC7개1BM, PC61BM)를 억셉터로 특정 비율로 혼합해 사용하는 4성분계 벌크 이종접합 방법을 개발했다.
이 방법으로 제작한 유기태양전지는 광전변환 효율이 8.4%로 2가지 유기물질만 사용한 기존 유기태양전지(7.6%)보다 11%포인트 향상됐다.
또 광전변환 효율이 65℃에서 1년간 초기의 72% 이상을 유지하고 120℃의 고온환경에서도 1개월간 70% 이상을 유지했다. 기존 유기태양전지는 성능이 보통 1개월 안에 초기 대비 50%로 급격히 떨어진다.
한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 최근 게재됐다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
