[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

유기 태양전지(organic solar cells)는 제조 공정에 간단하고 유연하다는 장점 덕분에 차세대 태양전지 후보로 꾸준히 연구 중이다. 현재 상용화에 가능한 수준의 효율(10%)은 달성한 상태이며, ‘간단한 공정’과 ‘유연한 특징’을 살리려는 후속 연구가 진행되고 있다.

유기 태양전지 내에는 태양빛을 받아 전자의 흐름을 만드는 광활성층(photoactive layer)이 있다. 이 부분은 반도체 특성을 띠는 전자-주개(electron donor) 물질과 전자 받개(electron acceptor)인 공액 고분자 물질로 이뤄져 있다. 여기에 절연체와 같은 고분자들이 존재하면 전기적 특성에 부정적인 영향을 준다. 하지만 이런 물질이 잘 섞이면 기계적 물성과 형태적인 강점을 가지는 광활성층을 만들 수 있다.

이런 이유로 최근 단가가 싸고 합성하기 쉬운 상업적 선형 고분자들을 첨가제 형태로 유기 태양전지에 집어넣는 기술이 등장하기 시작했다. 고안정성과 고신축성, 고효율을 목표로 첨가제 구조를 설계하는 부분과 소자 물리 등의 분야에서 많은 연구가 진행되면서 유기 태양전지에서의 필수적인 요소로 자리 잡았다. 하지만 소재의 한정성으로 인해 다양한 소재에 대한 연구는 여전히 부족한 상태이다.

2. 연구내용

본 연구진은 고무처럼 잘 늘어나는 ‘고유연성’을 가진 실리콘 계열의 고분자의 성질을 개선시켜 점도가 높은 고분자 물질을 합성했다. 이 물질을 이용해 ‘고유연성 유기 태양전지’를 제작하는 데도 성공했다.

상업적으로 유리한 ‘스타이렌(styrene)’에 수소화 규소 첨가 반응을 일으켜 만든 고분자를 유기 태양전지 시스템에 도입해 전기적 물성과 기계적 물성을 분석했다. 특히 자립형 인장 측정법(free-standing tensile test)으로 관찰해 광활성층의 신축성이 증가하는 형상도 분석했다.

본 연구진은 태양전지에 고유연성을 부여하기 위해 전기적 특성을 결정하는 ‘전자-주개 및 전자-받개 물질’과 기계적 물성에 영향을 주는 ‘절연체’에 비호환성을 고려했다. 절연체에 첨가시켜도 전기적 특성이 줄어들지 않아 기존 효율을 유지하면서 광활성층에 적합한 형태를 유지하는 게 필수적이었다.

그 결과 개발한 첨가제 물질은 광활성층에 고효율을 유지할 뿐 아니라 태양전지의 유연성도 높였다. 실제로 이번에 개발한 태양전지는 100번을 굽혔다 펴도 기존의 광전효율이 유지될 정도로 유연성을 확보했다.

연구진은 또 태양전지 박막을 제작해 분자간의 결정성과 나노구조 분석을 진행했다. 포항가속기연구에서 진행된 GIWAXS(Grazing Incidence Wide-Angle X-aray Scattering) 실험을 통해 개발한 첨가제가 박막이 적합한 분자 쌓임과 나노 결정크기를 가지는 것과 동시에 상-분리 네트워크를 형성함을 파악했다. 또한 원자힘 및 주사투과전자현미경(atomic force and scanning transmission electron microscopes) 측정을 통해 광활성층 물질과 첨가제가 잘 혼재된 상태도 확인했으며, 이에 따라 충전율(fill factor)도 높아짐을 보였다.

개발한 첨가제로 제작한 유기 태양전지는 65.96%의 높은 충전율과 12.40㎃/㎠의 광전류를 구현했으며, 최종 광전효율은 6.87%를 달성했다. 또 기존보다 월등한 신축성을 보이면서 90% 이상의 광전효율을 유지했다. 광전성능 분석과 기계적 성능 분석을 통해 고분자-고분자 메트릭스 사이에 첨가제가 적합한 형태를 가져 효율 유지뿐만 아니라 신축성에 기여한다는 걸 확인했다.

3. 기대효과

이번 연구에서는 유기 태양전지 재료로 ‘실리콘 기반의 고분자’를 이용해 기존의 광전효율을 유지하면서도 고유연성을 구현했다. 특히 광활성층을 100번 굽혔다 펴도 기존 효율을 90% 유지해 유기 태양전지의 상업화에도 기여할 것으로 기대된다. 기계적 안정성과 고신축성, 상업적 이점 등을 확보해 상용화 공정이 훨씬 수월해질 것을 보이기 때문이다.

또 다양한 측정을 통해 박막의 결정성과 표면에서의 나노구조를 확인했고, 자립형 인장 측정을 통해 실리콘 기반의 첨가제가 유기 태양전지의 유연성에 부여할 있는 잠재력에 대해 명확히 밝혔다. 이 내용은 향후 고효율‧고유연성 유기 태양전지를 위한 소재 합성 가이드라인으로 활용될 전망이다. 더 나아가 휴대 가능하고 착용 가능한 웨어러블 기기에 적용하는 유기 태양전지의 초석이 될 것으로 보인다.

[붙임] 그림 설명