[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

유기 태양전지는 신재생 에너지 분야에서 큰 발전을 이루었으며, 건물의 스마트 창문에서부터 웨어러블 기술까지 다양한 응용 분야에 쉽게 통합될 수 있는 잠재력을 보여주고 있다. 이러한 가능성 때문에, 유기 태양전지 상용화를 위한 안정성 유지 대한 관심이 높아지고 있다. 유기 태양전지의 안정성을 위한 전략으로 “가교 반응”을 이용한 전략이 있으며, 대부분 유기 태양전지의 광활성층에 직접 가교 가능한 기능성 그룹을 도입하는데, 이는 합성하는데 어려움이 있고, 광활성층이 바뀌때마다 가교 그룹을 도입해야 한다는 문제점이 있다. 범용성을 위한 가교제 개발은 많은 경우 2-bridge형태로 가교 할 수 있는 그룹이 2가지 밖에 되지 않아, 그 효율이 낮다. 이러한 문제를 해결하기 위해 범용성을 가지고, 동시에 높은 가교 효율을 갖는 가교제 개발의 필요성이 촉구되고 있다. 나아가, 가교제 활용으로 유기 태양전지의 안정성을 향상의 효과를 본 사례들은 많지만, 그것들이 어떠한 원리로 안정성을 확보하는지에 대한 분석은 많이 이루어지지 않아 이들에 대한 이해가 앞으로 유기 태양전지의 상용화에 큰 도움을 줄 것이다.

2.연구내용

본 연구에서는 아지드(-N3) 기반의 광가교제를 개발하였다. 기존의 2-bridge 형태(2Bx)에서 6-bridge 형태(6Bx)로 확장함으로써, 가교 효율이 기존 36%(2Bx)에서 96%(6Bx)로 대폭 향상된 형태를 구현하였다. 6Bx를 유기 태양전지의 활성층 물질인 PM6:Y6에 첨가하여 필름을 제작하고 광가교 반응을 진행하였다. 이렇게 제작된 유기 태양전지는 85℃에서 1680시간이 경과한 후에도 초기 효율의 93.4%를 유지하며 11.70%의 효율을 기록하였다. 추가적으로, 연구팀은 이러한 성능 유지가 개발된 광가교제가 가교 반응을 통해 Y6의 분자 이동을 효과적으로 억제한 결과임을 규명하였다.

3.기대효과

본 연구는 유기 태양전지의 안정성을 향상시키기 위해 아지드 기반의 고효율 광가교제를 활용하는 것이 효과적인 전략임을 입증하였다. 기존에 일반적으로 사용되던 2-bridge 형태(2Bx)의 가교제를 개선하여 6-bridge 형태(6Bx)의 가교제를 개발하였다. 이로 인해 아주 적은 양으로도 효과적인 가교 반응을 유도할 수 있었으며, 그 결과 전기적 특성 감소를 최소화하는 데 성공하였다.

특히, 6Bx를 활용하여 유기 태양전지의 광활성층 내 전자 수용체(acceptor)의 움직임을 억제하는 것이 고안정성을 확보하는 데 중요한 전략임을 입증하였다. 더 나아가, 이러한 결과는 멀티 스케일 분석을 통해 과학적으로 규명되었다.

이번 연구는 유기 태양전지의 안정성 문제를 해결하는 데 있어 중요한 돌파구를 제시하며, 유기 태양전지 상용화를 위한 안정성 확보에 기여할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.광전 변환 효율 (Power Conversion Efficiency, PCE)

태양광 에너지가 전기에너지로 변환되는 비율을 나타내며 태양전지의 성능을 평가하는 중요한 지표이다.

2.억셉터(Acceptor)

유기태양전지의 광활성층에서 전자를 받아들이는 역할을 하는 중요한 구성 요소이며, 구조적 다양성을 통해 광 흡수 범위와 전기적 특성을 조절된다.

3.가교제 (Crosslinker)

가교제는 분자 간의 화학적 결합(가교)을 형성하여 소재의 구조적 안정성과 물리적 특성을 향상시키는 물질이다. 유기 태양전지에서 가교제는 활성층 내 분자의 이동을 억제하여 열적 안정성과 내구성을 강화하는 데 사용한다.

아지드(-N3) 기반 가교제는 가교 효율이 높은 특징을 가지며, UV 광활성화를 통해 활성화된다. 이 과정에서 아지드 그룹이 활성 니트렌(nitrene)으로 변환되어 이웃한 C-H와 분자 간 강력한 결합을 형성한다.

4.가교 효율(Crosslinking efficient)

위에 아자이드를 기준으로 하나의 아자이드 그룹이 UV에서 활성화되어, 니트렌으로 되어 이웃한 C-H와 가교하는 효율이 대략 60%임이 문헌에 보고됐다.

5.멀티스케일분석(Multimodal characterization techniques)

다양한 길이 척도(스케일)에 걸쳐 물질의 구조와 특성을 정밀하게 분석하는 방법이다. 이 접근법은 나노스케일에서 매크로스케일까지 다양한 기술을 활용해 물질의 구조적, 물리적, 화학적 변화를 이해하는 데 사용된다. 본 연구에서는 전자회절, 핵자기공명, 라만 분광법, 원자 현미경 등을 활용했다.

[붙임] 연구그림

그림1. 본 연구에 사용된 물질의 화학구조, 태양전지 구조와 연구 모식도(좌측 측하단), 태양전지 효율(우측 하단) 현재 유기 태양전지 분야에서 가장 많이 사용되는 PM6, Y6 화학구조와 광가교제 6Bx 구조. PM6:Y6 광활성층에 6Bx를 첨가하여 스핀 코핑 방법으로 제작함. 제작한 유기 태양전지는 80℃에서 1680 시간 동안 큰 변화를 보이지 않았고, 이러한 이유가 Y6의 가교 유무가 유기 태양전지의 효율 변화에 핵심 요소인것을 나타냄. 가교를 통한 Y6의 움직임을 억제함으로써 1680 시간이 지남에도 불구하고, 초기 효율 대비 90% 이상의 높은 안정성의 유기 태양전지를 구현함.