포스텍과 한국화학연구원이 최근 공동연구로 유기태양전지의 치명적 단점을 해결할 실마리를 찾았다.

유기태양전지는 플라스틱과 같은 유기물을 이용해 빛을 전기로 전환하는 태양전지를 의미한다.

하지만 유기태양전지의 본격적 상용화를 가로막는 단점이 있는데, 바로 낮은 변환 효율과 안정성이다.

저분자 유기태양전지는 고분자 소자에 비해 광흡수층의 상분리 현상으로 효율이 감소하고, 안정성이 저하된다.

이에 연구팀은 할로젠 원소를 도입해 신규 저분자 물질을 개발해 쌍극자 모멘트 세기 변화를 유도했다.

쌍극자 모멘트의 세기 변화를 통해 억셉터 물질로 사용된 풀러렌 분자와의 상호작용을 유도, 풀러렌 분자끼리 뭉치는 현상을 완화시켰고 심각한 상분리 문제를 개선해 광전변화효율을 높이고 안정성을 향상시켰다.

연구팀은 최적화된 모폴로지가 첨가제 없이 10.5%의 높은 전력변환효율을 나타내며 저분자 기반 태양전지에서 78.0%의 충전율을 보이는 것을 확인했다.

또한 상호보완적 광흡수가 가능한 탠덤형 태양전지에 적용했을 때 최대 15.1%의 초고효율을 나타내는 것을 확인했다.

이는 지금까지 보고된 저분자 기반 태양전지의 최고 충전율 76.9%, 최고효율 15%보다 높은 수치다.

박태호<사진> 포스텍 화학공학과 교수는 “이 연구를 통해 화학첨가제 없이 저분자 유기태양전지의 세계 최고 충전율을 달성했으며 탠덤형 태양전지에 적용해 효율을 극대화했다”며 “더 넓은 면적, 더 긴 수명의 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지기술평가원, 과학기술정보통신부가 추진하는 글로벌 프런티어 사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐다.