광주과학기술원(GIST)은 강홍규 차세대에너지연구소 책임연구원이 김봉수 울산과학기술원(UNIST) 교수팀과 공동으로 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장해 광활성층 필름의 균일도를 획기적으로 개선하고 고효율의 대면적 유기 태양전지를 구현하는 데 성공했다고 27일 밝혔다.
이번 연구 성과는 유기 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 다가서는 중요한 전환점이 될 전망이다.
비풀러렌 억셉터는 유기태양전지의 광활성층에서 전자를 받아들이는 역할을 하는 중요한 구성 요소이다. 풀러렌 기반 억셉터에 비해 구조적 다양성이 크고 광 흡수 범위와 전기적 특성을 조절하기 용이하다. 알킬 체인은 탄화수소 분자에서 하나의 수소 원자가 제거된 형태로 탄소와 수소로 이뤄져 있는 알킬기들이 서로 결합해 형성된 구조다.
유기 태양전지는 건물의 스마트 창문에서부터 웨어러블 기술까지 다양한 응용 분야에 쉽게 통합될 수 있는 잠재력을 갖고 있다. 유기 태양전지의 상용화를 위한 대면적 유기 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
기존 대면적 유기 태양전지는 독성이 강한 할로겐 용매를 사용, 환경과 인체에 해로워 상용화에 어려움을 겪었다. 독성이 낮은 비할로겐 용매는 비풀러렌 억셉터의 '뭉침 현상'으로 필름의 균일도가 낮아져 유기 태양전지의 활성층의 면적이 커질수록 효율이 감소하는 문제가 있었다.
연구팀은 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 방법을 사용했다. 비할로겐 용매에서 비풀러렌 억셉터의 용해도가 향상됨에 따라 뭉침 현상이 효과적으로 감소돼 200㎠의 큰 면적에서도 균일한 광활성층 필름을 형성할 수 있었다.
이번 연구는 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 것이 비할로겐 용매로 제작한 대면적 유기 태양전지의 효율을 향상시키는 데 효과적인 전략임을 입증했다. 이러한 접근법은 광활성층 내에서 비풀러렌 억셉터의 뭉침 현상을 줄이고 필름의 균일도를 크게 개선해 대면적 유기 태양전지의 효율을 높이는 것을 확인했다.
강홍규 박사는 “이번 연구 성과를 통해 독성이 낮은 비할로겐 용매를 사용함으로써 차세대 유기 태양전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다”며 “슬롯-다이 코팅 방법이 롤투롤 공정에 적합해 대면적 유기 태양전지의 대량 생산 및 상용화 가능성을 크게 높였다”고 말했다.
광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
