포스텍 등 공동연구팀, 유기물 이용한 유기태양전지의 상용화 가능성 열어

플라스틱과 같은 유기물을 이용해 빛을 전기로 전환하는 유기태양전지의 상용화가 국내 연구진에 의해 열렸다.

포스텍(포항공대) 화학공학과 박태호 교수, 통합과정 류승운 씨, 박사과정 김홍일 씨 팀은 한국화학연구원(KRICT) 이종철 박사, 송창은 박사팀과 손잡고 고성능 유기태양전지의 핵심 소재인 신규 광흡수층 물질에 할로젠 원소를 적용해 태양전지의 효율 및 안전성을 방해하는 광흡수층의 상분리 문제를 개선했다고 에너지 분야에서 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼즈 최신 온라인판에 실었다.

최근 유기태양전지 분야에서 광흡수층으로 사용하는 저분자 물질은 고분자 물질에 비해 간단한 합성 방법으로 공정 단가를 절약할 수 있을뿐만 아니라 합성배치마다 광전기적 특성이 달라지는 고분자 물질의 단점도 해결가능하다.

하지만 저분자 유기태양전지도 광흡수층이 물과 기름처럼 상분리 되는 현상이 발생해 효율이 감소하고, 안정성이 저하되는 문제점이 여럿 발견됐다.

이에 연구팀은 할로젠 원소를 통해 신규 저분자 물질을 개발한 뒤 쌍극자 모멘트(양전하와 음전하가 분리된 정도를 나타내는 벡터값)세기 변화를 유도한 결과 심각한 상분리 문제가 개선되면서 유기태양전지 광전변환효율과 안정성이 높아졌다.

연구팀은 최적화된 상태에서 첨가제 없이 10.5%의 높은 전력변환효율을 보였고, 저분자 기반 태양전지에서 78%의 충전율을 나타나는 것을 확인했다. 또 상호보완적 광흡수가 가능한 탠덤형 태양전지에 적용했을 때 최대 15.1%의 고효율을 기록했다. 이는 지금까지 보고된 저분자 기반 태양전지의 최고 충전율 76.9%, 최고효율 15%를 웃도는 수치다.

포스텍 박태호 교수는 "화학첨가제 없이 저분자 유기태양전지가 낼 수 있는 가장 높은 충전율을 달성했고, 탠덤형 태양전지를 통해 효율도 극대화했다"며 "저분자 기반 광흡수 물질 개발은 앞으로 더 넓은 면적, 더 긴 수명의 태양전지를 만드는데 적용할 수 있다"고 했다.