유기 태양전지 필름 모듈.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 기존 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지인 ‘유기 태양전지’ 상용화를 앞당길 핵심기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

국내 연구진이 유기 태양전지가 고온에서 성능이 감소하는 문제를 간단한 방법으로 해결, 수명을 기존보다 50배 높인 1000시간 이상으로 늘리는 데 성공했다.

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 이광희 교수와 에너지융합대학원 김희주 교수 공동 연구팀은 스스로 얇은 보호층을 형성하는 단분자를 활용해 추가적인 코팅 공정 없이 유기 태양전지의 수명을 기존보다 50배 높은 1000시간 이상으로 늘리는데 성공했다고 밝혔다.

유기 태양전지는 유기물 반도체를 광활성 층으로 활용해 유연하고 색상 조절이 가능하며, 투명해서 자동차 유리 및 건물 창문에도 활용될 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

하지만 유기 태양전지는 고온에서 성능이 감소하는 문제가 있는데, 열에 의해 유기물 분자들이 움직여 전하수송에 좋지 못한 형태로 변형되는 것이 주된 원인으로 알려져 있다. 따라서 이를 해결하기 위해 유기물의 화학적 구조를 바꿔 열에 의한 움직임을 억제하려는 연구들이 진행되고 있다.

유기 태양전지에 전자수송 층으로 사용되는 산화아연은 그 표면에 화학적으로 반응성이 있는 성분들이 존재함에도 불구하고, 고온 환경에서 산화아연과 광활성 층의 계면에서 일어날 수 있는 열화에 관한 연구는 지금까지 거의 이뤄지지 않았다.

연구팀은 오비트랩/비행시간차 혼성 이차이온 질량분석기를 통해 단분자 유기물 반도체가 산화아연 표면에 존재하는 불순물과 반응할 때 손상되는 현상과 단분자 유기물의 유동성이 커질수록 그 손상이 더 많이 발생하는 현상을 확인했다.

유기 태양전지 필름 모듈.[GIST 제공]이광희(왼쪽부터) 교수, 김희주 교수, 이산성 박사과정생.[GIST 제공]

또한 극성과 휘발성을 가지는 단분자 유기물인 5-Methyl-1H-benzotriazole(이하 M-BT)을 광활성 층 용액에 혼합해 광활성 층 코팅 시 산화아연 표면에 단분자 유기물이 자기조립돼 표면 불순물 제거 및 보호층을 형성하도록 했다.

서로 다른 유동성을 가지는 세 종류의 단분자 유기물 반도체(Y6, L8BO, DTY6) 중 유동성이 큰 단분자(DTY6)를 사용한 유기 태양전지일수록 수명이 향상된 정도가 가장 컸다. 태양전지의 초기 효율의 15%가 감소하기까지 걸리는 시간이 기존 20시간에서 1000시간 이상으로 약 50배 늘어나 수명이 대폭 향상됨을 확인했다.

이광희 교수는 “이번 연구는 광활성 층의 형태학적 안정성에만 초점이 맞춰진 기존 열 안정성 연구들의 흐름에서 벗어나 간단히 하나의 단분자를 광활성 층 용액에 첨가하는 것만으로 전자수송 층의 표면을 안정화해 태양전지의 열적 안정성을 크게 향상했다는 데 의미가 있다” 면서 “이는 대면적화를 위한 프린팅 공정에도 적용할 수 있어 유기 태양전지의 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 8월 31일 온라인 게재됐다.