UNIST, 미국·프랑스 연구진과 개발…작용 원리도 규명
X
연구진 모습 왼쪽부터 UNIST 김봉수 교수, 이명재 연구원. [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]
소량만 넣어도 유기 태양전지의 짧은 수명 문제를 해결할 수 있는 물질을 국내외 공동연구진이 개발했다.
울산과학기술원(UNIST)은 화학과 김봉수 교수팀은 미국 UC 샌타바버라, 프랑스 릴 대학교, 프랑스 국립과학연구센터(CNRS) 연구진과 함께 장수명 유기 태양전지를 만들 수 있는 가교제를 개발하고, 이 가교제의 작용 원리를 다중 분석 기법을 통해 규명했다고 26일 밝혔다.
가교제는 분자 간 화학적 결합을 형성해 소재의 구조적 안정성과 물리적 특성을 향상하는 물질이다.
유기 태양전지는 제조가 쉽고 필름 형태로 찍어 유연하게 붙일 수 있는 차세대 태양전지다. 그러나 유기물의 특성상 열에 약해 오래 쓰기 어렵다는 단점이 있다.
전지 수명을 늘리기 위해 유기물 성분을 단단히 연결해 보호하는 가교제를 첨가하는 방안이 연구됐지만, 가교제가 과량 첨가되면서 전지 효율이 떨어지는 문제점이 나타났다.
이에 공동연구팀은 소량만 첨가해도 안정화 효과를 낼 수 있는 고효율 광가교제 6Bx를 기발했다.
이 광가교제는 가교 분자 하나가 6개의 가교 결합을 형성할 수 있어 이론적인 광가교효율이 96%에 이른다.
일반적인 광가교제의 이론적 가교 효율인 36%와 비교하면 매우 높은 수준이라고 연구팀은 설명했다.
이 가교제를 넣어 만든 유기 태양전지는 85도에서 1천680시간이 지난 후에도 11.70%의 효율을 기록했다. 이는 초기 효율의 93.4%에 해당하는 수치다. (85도 이상 노출이 매일 지속된다는 가정 아래 하루에 2~4시간 노출시 약 1년~2년 지속적 감가 가속 아래 지속. 온도 상관관계 유의미로 보이며 좀 더 지속 가능).
반면 가교제를 넣지 않은 전지는 효율이 초기 효율의 58.7%에 해당하는 8.17%로 떨어졌다.
가교제를 통해 수명 성능이 약 59% 이상 개선된 것이다.
연구팀은 이러한 성능 유지의 원인이 개발된 광가교제가 가교 반응을 통해 Y6의 분자 이동을 효과적으로 억제했기 때문이라는 사실도 밝혀냈다. Y6는 유기 태양전지 광활성층의 전자 수용체다.
김봉수 교수는 "고효율 광가교제 개발을 통해 유기 태양전지의 고질적인 안정성 문제를 해결하고, 그 원리를 규명하는 데 성공했다"며 "유기 태양전지 상용화를 위한 안정성 향상 기술 개발에 중요한 기여를 할 것"이라고 말했다.
연구 결과는 지난달 10일 발간된 에너지 분야 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스'(ACS Energy Letters)에 실렸다. 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 이뤄졌다.