효율 11.6%, 120℃서 안정한 ‘유기 태양전지’ 탄생

효율이 11.6%에 이르는 유기 태양전지가 개발됐다. 이 태양전지는 120℃의 열을 가해도 80% 이상 효율이 유지됐으며, 60일 이상 사용해도 효율이 크게 변하지 않았다. 효율과 안정성을 동시에 잡은 유기 태양전지로 주목받고 있다.

에너지 및 화학공학부의 양창덕·박혜성 교수팀은 유기 태양전지의 광활성층(photoactive layer)에 고분자 첨가제(macromolecular additive)를 소량 첨가해 효율과 안정성을 크게 향상시키는 방법을 개발했다. 특히 분자량을 조절하는 기술을 고분자 첨가제에 적용하는 방식은 기존에 보고되지 않은 독특한 기법이다.

유기 태양전지는 모든 층이 유기물로 이뤄지는 태양전지를 말한다. 이 중 광활성층은 태양빛을 직접 흡수해 전하를 생성하는 부분이다. 광활성층에 어떤 물질이 첨가되느냐는 유기 태양전지 효율에 직접적인 영향을 끼친다.

연구진은 광활성층에 넣을 고분자 첨가제 제작에 분자량 조절 기술을 도입했다. 이를 통해 분자량이 높은 고품질 n형 공액 고분자(n-type conjugated polymer)를 합성하고, 유기 태양전지 광활성층 첨가제로 사용한 것이다. 그 결과 유기 태양전지 최고 효율 수준인 11.6%를 기록했다.

이 태양전지는 열적 내구성도 뛰어나 120℃의 열을 가해도 80% 이상의 효율을 유지했다. 60일 동안의 효율 유지 안정성 시험에서도 효율이 거의 변하지 않았다. 또 휘어지는 기판에 제작한 유기 태양전지에도 이 기술을 적용해 효율을 향상시키는 데 성공했다.

양창덕·박혜성 교수팀이 개발한 유기 태양전지의 모습. 오른쪽은 휘어지는 기판 위에 제작한 유기 태양전지다. | 사진: 김경채

박혜성 교수는 “이번에 사용한 고분자 첨가제는 다른 종류의 광활성층 물질에서도 효율를 높일 것으로 기대돼 유기 태양전지의 상용화 가능성을 높였다고 볼 수 있다”며 “고효율의 플렉시블(flexible) 유기 태양전지의 실현 가능성과 웨어러블(wearable) 기기 등의 차세대 에너지원으로써의 사용 가능성도 제시했다”고 말했다.

특히 이번 연구에는 고분자 첨가제를 광활성층에 첨가한 비율에 따른 유기 태양전지 효율 최적화와 전하 수송(charge transfer) 특성, 형태(morphology) 특성 등의 변화 분석도 포함돼 있다. 이를 통해 유기 태양전지의 효율이 향상되는 원인을 밝혀낸 것이다.

양창덕 교수는 “고품질의 고분자량 물질을 분리하는 최적화된 기술을 개발하고, 유기 물질의 분자량이 유기 태양전지 특성 향상에 영향을 미친다는 걸 증명한 중요한 연구”라고 강조했다.