[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

‘풀러렌(fullerene) 계열 유도체(PCBM)’는 높은 전하 이동도를 가져 유기 태양전지(organic solar cells)* 내 광활성층(photoactive layer)**의 전자-받개(electron acceptor) 물질로 각광받았다. 하지만 풀러렌 자체를 합성하기 힘든데다 광흡수 영역이 좁아 광전변환효율(power conversion efficiency)***을 향상시키기 어려웠다.

유기 태양전지 내에서 광전류가 생성되는 원리는 ‘채널Ⅰ(ChannelⅠ)’과 ‘채널Ⅱ(ChannelⅡ)’에 기반을 두고 있다. 채널Ⅰ의 경우는 빛을 받아서 여기(勵起, excitation)****된 전자-주개(electron donor) 물질이 전자-받개로 전자(electron)를 전달해 전류를 생성하는 원리다. 이와 반대로 전자-받개에서 생성된 정공(hole)이 전자-주개로 전달해 전류를 생성하는 원리가 채널Ⅱ다.

^*유기 태양전지(organic solar cells): 태양전지의 광활성층과 전하수송층(charge transport layer) 등의 각 태양전지 층에 유기물질을 사용해 기판/전극/전하수송층/광활성층/전극을 기본 구조로 제작한 태양전지. 태양전지는 크게 ‘유기’ 태양전지와 ‘무기’ 태양전지로 나눌 수 있다. 무기 태양전지는 우리가 흔히 보는 실리콘 같은 반도체 재료로 만들며, 유기 태양전지는 유기물을 재료로 만든다.

^**광활성층(photoactive layer): 태양전지에서 빛을 직접 흡수해 전하를 생성하는 층. 유기 태양전지의 광활성층은 일반적으로 ‘전자-주개(electron donor) 물질’과 ‘전자-받개(electron acceptor) 물질’의 접합(junction)으로 이뤄진다.

***광전변환효율(power conversion efficiency): 태양전지 효율 기준 지표. 태양전지가 받은 빛의 양을 100%로 뒀을 때 얼마나 많은 빛이 전기 에너지로 전환됐는지 나타낸다.

****여기(勵起, excitation): 원자나 분자가 외부에서 에너지를 흡수해 에너지가 더 높은 상태로 전이하는 현상을 말한다. 우리말로는 ‘들뜸’이라고 부르기도 한다. 

풀러렌 계열의 유기 태양전지에서는 전자-받개로 쓰였던 풀러렌 유도체의 광흡수도가 굉장히 낮다. 이 때문에 채널Ⅱ 원리로는 전류를 발생하지 못해 효율이 제한적이었다. 하지만 비풀러렌 계열의 물질의 구조를 변화시키면 광흡수를 잘 이뤄지게 만들 수 있다. 결국 채널Ⅰ과 채널Ⅱ를 모두 사용해 전류를 생성하므로 풀러렌 계열의 유도체를 사용할 때보다 뛰어난 효율을 구현할 수 있다.

이런 이유로 최근 단가가 싸고 합성이 용이하며 구조적 개질이 쉬운 ‘비풀러렌(non-fullerene) 단분자’ 전자-받개 물질이 새로 등장하기 시작했다. 풀러렌 유도체를 대신할 차세대 전자-받개로서 물질 구조 설계와 소자 물리 등의 분야에서 많은 연구가 진행되면서 유기 태양전지 효율도 급격히 높아지고 있다. 하지만 전자-주개로 사용하는 ‘유기 공액 고분자’ 전자-받개로 사용할 ‘단분자 물질’ 사이의 포괄적인 이해를 위한 연구는 여전히 부족한 상태다.

2. 연구내용

본 연구진은 전자-주개로 사용할 새로운 ‘유기 공액 고분자’와 전자-받개로 쓰일 ‘단분자 물질’을 개발해 고효율 유기 태양전지 제작에 성공했다. 전자-주개 물질로는 실리콘(Si) 작용기를 가지는 유기 공액 고분자를 세 종류 합성했다. 또 이 물질과 짝을 이뤄서 사용할 전자-받개 물질로 비대칭 단분자 물질도 합성해 유기 태양전지를 만들고 물성을 분석했다. 또 ‘TA 분광법(Transient Absorption Spectroscopy)*’으로 관찰해 채널Ⅱ의 광전류 생성에 기여하는 현상도 분석했다.

태양광 중에서 가시광 영역을 최대한 활용하려면 전자-주개와 전자-받개 물질이 모두 넓은 흡수층을 가지는 게 유리하다. 또한 이들이 서로 상반된 파장대의 빛을 흡수하는 게 유기 태양전지에서 고효율을 구현하는 데 필수적이다. 이번에 개발한 전자-주개 물질과 전자-받개 물질은 상호보완적이며 넓은 영역의 빛을 흡수할 뿐 아니라 흡광계수(absorption coefficient)**도 높다.

^*TA 분광법(Transient Absorption Spectroscopy): 여기된 전자들의 전기적/구조적 물성을 분석하는 장비. 빠른 시간 내에 정량적으로 전하 분리가 이루어지는 걸 확인할 수 있어 소재의 다양한 분광학적 특성을 확인한다.

**흡광계수(absorption coefficient): 물질이 빛을 흡수하는 정도를 나타내는 계수로 흡광계수의 값이 클수록 더 많은 빛을 흡수한다.

이번 연구에서는 전자-주개와 전자-받개를 혼합해서 사용한 아홉 종류(3×3)의 유기 태양전지 박막을 제작해 분자간의 결정성과 나노구조 분석을 진행했다.

포항가속기연구소에서 진행된 GIWAXS(Grazing Incidence Wide-Angle X-aray Scattering) 실험*을 통해 개발한 물질들의 박막이 3D 구조를 가진다는 걸 파악했다. 이는 광활성층에서 수직이나 수평으로 전하를 이동할 수 있도록 도울 것이며, 이에 따라 전하 이동도가 높아지고 충전율(fill factor)**도 높아질 것이라 예상했다. 또 전자-주개와 전자-받개 사이에 각 결정성들이 잘 혼재된 상태도 확인됐다. 이것이 원자힘 및 주사투과전자현미경(atomic force and scanning transmission electron microscopes)으로 관측해 균일한 박막 표면과 전하 전달에 유리한 나노 구조라는 점을 확인했다.

^*GIWAXS(grazing incidence wide-angle X-ray scattering) 실험: 결정면의 면간거리와 배향을 분석하는 도구로 입사각에 따라 침투 깊이를 조절할 수 있어 보다 정밀한 표면 분석이 가능하다. 이 실험으로 소자 성능 개선에 필요한 중요한 정보를 얻을 수 있다.

^**충전율(fill factor): 태양전지 효율 측정에어 중요한 변수 중 하나로 최대 전력을 개방 전압과 단락 회로 전류에서 출력하는 이론상 전력과 비교해 계산한다. 제작되는 전지소자의 저항값에 많은 영향을 받는 척도다.

개발한 물질들로 제작한 유기 태양전지는 75.3%의 높은 충전율과 17.0㎃/㎠의 광전류를 구현했으며, 최종 광전효율은 12.01%를 달성했다. 또 광활성층을 300㎚ 정도로 두껍게 제작해도 10% 가까이 광전효율을 유지했다. 광전성능 분석을 통해 광전류가 전자-주개 고분자의 광흡수보다 전자-받개 단분자 물질의 광흡수에 선형 비례하는 걸 알 수 있었다. 이는 결국 전자-받개에서 생성된 정공이 전자-주개로 전달되는 채널Ⅱ가 전체 유기 태양전지의 효율 향상에 기여한다는 걸 암시한다.

3. 기대효과

이번에 개발한 ‘실리콘 작용기 기반의 유기 공액 고분자(전자-주개)와 단분자 물질(전자-받개)’를 이용해 유기 태양전지의 광전효율을 12.01%로 구현했다. 특히 광활성층의 두께를 300㎚ 정도로 두껍게 만들어도 10% 정도의 광전효율을 유지해 유기 태양전지의 상업화에도 기여할 것으로 기대된다. 광활성층의 두께가 일정 수준 이상 두꺼워지면 상용화 공정이 훨씬 수월해지기 때문이다.

또 다양한 실험을 통해 유기 태양전지 박막의 결정성과 나노구조를 확인했고, TA 분석 실험을 통해 비풀러렌 계열의 유기 태양전지 효율 향상에 채널Ⅱ의 기여에 대해 명확히 밝혔다. 이 내용은 향후 비풀러렌 계열의 유기 태양전지 활성층을 위한 소재 합성 가이드라인으로 활용될 전망이다. 더 나아가 고효율 유기 태양전지 제작에도 기여할 것으로 보인다.

[붙임] 그림 설명