독성이 낮은 비할로겐 용매로 제작된 200cm2의 대면적 유기 태양전지에서 11.44%의 광전 변환 효율(PCE)를 달성했다. 이는 유기 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 다가서는 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.
화학과 김봉수 교수와 GIST 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원, 신소재공학부 이광희 교수 공동연구팀이 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장함으로써 광활성층 필름의 균일도를 획기적으로 개선하였으며, 이에 따라 고효율의 대면적 유기 태양전지를 구현하는 데 성공했다.
그림1. 연구에 사용된 물질의 화학구조 및 대면적 유기 태양전지 효율 비교
기존 대면적 유기 태양전지는 클로로벤젠 같은 독성이 강한 할로겐 용매를 사용해 상용화에 큰 어려움을 겪었다. 하지만 상대적으로 독성이 낮은 비할로겐 용매를 사용할 경우, 광활성층 내의 비풀러렌 억셉터의 ‘뭉침 현상’으로 인해 필름의 균일도가 낮아져 대면적 유기 태양전지의 효율이 감소하는 문제가 있었다.
공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 방법을 사용했다. 비할로겐 용매에서 비풀러렌 억셉터의 용해도가 향상됨에 따라 뭉침 현상이 효과적으로 감소되어 200c㎡의 큰 면적에서도 균일한 광활성층 필름을 형성할 수 있었다.
그림2. 광활성층 면적 200c㎡의 대면적 유기 태양전지 사진
특히, PM6:L8-BO(HU-DT):PC70BM 기반의 200cm2 유기 태양전지의 광활성층에서 가장 적은 뭉침 현상과 소재 간의 높은 혼화성을 보여주어 최고 효율 11.44%를 기록했다.
또한 공정에 사용된 슬롯-다이 코팅(Slot-die coating) 방법은 roll-to-roll 공정을 통한 대량 생산에 적합하여 차세대 유기 태양전지의 상용화 가능성을 한층 더 높였다.
김봉수 교수는 “비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장해 광활성층 내 뭉침 현상을 억제하는 데 성공했다”며 “유기 태양전지 상용화를 위한 소재 개발에 중요한 기여를 할 것”이라고 밝혔다.
연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, UNIST 김보미, 엄두현 연구원과 GIST 이양수 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 지난 7월 18일 세계적인 학술지인 Advanced Functional Materials 온라인판에 실렸다.
