[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

유기 태양전지(organic photovoltaics, OPV)는 무기 태양전지에 비해 가볍고, 유연하고, 대량생산이 가능하다. 이런 장점은 태양전지를 다양한 분야에 응용할 가능성을 열어줘 크게 주목받고 있다. 하지만 유기 태양전지를 상용화하려면 낮은 효율과 안정성을 개선해야 한다. 따라서 이 점을 중심으로 한 유기 태양전지 연구는 많이 진행되고 있다.

유기 태양전지 연구 분야에서는 효율이 높은 새로운 광활성층 물질이 개발된 후, 이 물질의 추가 연구가 진행되고 있다. 효율을 더 높일 수 있는 방법을 연구할 뿐 아니라 상용화를 위한 특성(유연성, 투명성, 대량생산 가능성 등)을 향상시킬 기술 개발이 주로 이뤄지는 것이다. 특히 광활성층 물질에 첨가제를 사용하는 기법은 광활성층 물질의 구조 형성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 연구다.

2. 연구내용

본 연구진은 유기 태양전지 광활성층에 새로운 고분자 첨가제를 사용해 유기 태양전지의 효율 증가와 열적 안정성(thermal stability) 향상을 동시에 이뤘다. 고분자 첨가제로 사용한 물질은 나프탈렌 디이미드(naphthalene diimide, NDI) 계열의 ‘P(NDI2OD-T2)’ n형 공액 고분자(n-type conjugated polymer)이다. 이 고분자는 기존 플러렌(fullerene) 계열 물질을 대체하기 위해 최근 광활성층의 전자-받개(electron acceptor)로 이용하려는 시도가 많이 진행되고 있는 물질이다.

특히 이번 연구에서는 n형 공액 고분자 물질을 무게 평균 분자량(weight-average molecular weight, Mw)에 따라 분리했다. 이 덕분에 높은 분자량을 가진 고품질의 물질을 합성하고, 고분자 첨가제로 사용함으로써 분자량 조절의 중요성을 밝혀냈다.

합성된 고분자 첨가제의 광활성층 물질 첨가 비율에 따른 태양전지 특성 분석도 진행됐다. 정공·전자 이동도 증가와 이에 따른 균형 잡힌 전하 수송 특성, 전하 재결합(charge recombination)의 감소, 전하 수송에 유리한 분자 배향(molecular orientation)을 가진 모양(morphology) 형성 등에 관한 세부적인 내용이 밝혀진 것이다.

이 결과를 적용한 결과 이번에 개발한 유기 태양전지는 최고 효율에 가까운 11.6%의 광전변환효율(power conversion efficiency, PCE)를 달성했다. 또한 휘어지는 PET 기판을 사용해 고분자 첨가제로 인해 효율이 향상된 플렉시블 유기 태양전지를 제작했다.

일반적인 유기 태양전지의 경우 30℃에서 120℃까지 온도를 높일 경우 효율이 절반 이상 크게 감소한다. 반면 이번에 개발한 고분자 첨가제를 사용한 태양전지는 120℃의 열을 가해도 80% 이상의 초기 효율을 유지했다. 또 60일 동안의 효율 유지 안정성 시험에서도 효율이 거의 변하지 않았다.

3. 기대효과

이번 연구결과를 통해 유기 태양전지 물질 개발에 있어 분자량 조절이 중요함을 알 수 있었다. 또 이를 통해 새로운 연구방향을 제시했다.

n형 공액 고분자의 첨가제 사용은 접근방법이 간단하면서도 매우 효과적인 특성 향상을 보임으로써 유기 태양전지의 상용화 가능성을 높인 연구다. 다른 광활성층 물질에 첨가해도 이와 같은 성능 향상 효과를 보일 것으로 기대된다.

휘어지는 PET 기판에 제작한 유기 태양전지에서도 고분자 첨가제 사용이 효율을 높였다. 이를 통해 고효율의 플렉시블 유기 태양전지의 실현 가능성과 웨어러블 기기 등의 차세대 에너지원으로써의 사용 가능성 또한 제시했다.

[붙임] 용어설명

1. 유기 태양전지(organic photovoltaics, OPVs)

태양전지의 광활성층과 전하 수송층(charge transport layer) 등의 각 태양전지 층에 유기 기반 물질을 사용해 기판/전극/전하 수송층/광활성층/전극을 기본 구조로 제작한 태양전지다. 태양전지는 크게 유기 태양전지와 무기 태양전지로 나눌 수 있다. 무기 태양전지는 우리가 흔히 보는 실리콘 같은 반도체 재료로 만들며, 유기 태양전지는 유기물을 재료로 만든다.

2. 광활성층(photoactive layer)

태양전지에서 빛을 직접 흡수해 전하를 생성하는 층이다. 유기 태양전지의 광활성층은 일반적으로 전자-주개(electron donor) 물질과 전자-받개(electron acceptor) 물질의 접합(junction)으로 이뤄진다.

3. 전하수송층(charge transport layer)

광활성층에서 생성된 전하(정공과 전자)를 각 전극으로 수송하는 역할을 하는 층이다. 수송하는 전하 종류에 따라 정공수송층(hole transport layer)와 전자수송층(electron transport layer)으로 나뉜다.

4. 고분자 첨가제(macromolecular additive)

유기 태양전지 광활성층에 첨가하는 물질로 고분자 물질을 사용한다. 광활성층에 쓰이는 첨가제로는 소분자 (small molecule), 용매 (solvent) 등이 사용되기도 한다.

5. 광전변환효율(power conversion efficiency, PCE)

태양전지 효율의 기준이 되는 지표다. 태양전지가 받은 빛의 양 대비 전환된 전기에너지를 측정된 전류와 전압의 최대치에 의해 % 비율로 나타낸다.

[붙임] 그림설명