반도체 혼화성 조절해 뭉침 현상 제어해 11.28%의 높은 전력 변환 효율 기록
큰 면적에서 높은 효율을 내는 유기 태양전지가 개발됐다. 유기 태양전지는 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
UNIST 화학과 김봉수 교수팀이 KIST 차세대 태양전지 연구센터 손해정 박사팀과 공동으로 고효율의 대면적 유기 태양전지 소재를 개발했다.
유기 태양전지는 현재 상용화된 실리콘 태양전지보다 가볍고 유연성을 가지며, 반투명하게 제작할 수 있어 차세대 전지로 주목받고 있다. 하지만 소자의 제작과정에서 발생하는 유기 소재의 뭉침 현상으로 높은 효율을 내기 어려웠다.
공동 연구팀은 n형 반도체(전하 운반자 역할을 하는 전자의 수가 양공의 수에 비해서 훨씬 많이 있는 반도체)와 p형 반도체(전하 운반자 역할을 하는 양공의 수가 전자의 수에 비해서 훨씬 많이 있는 반도체)가 섞이는 혼화성을 조절해 기존 대면적 유기 태양전지 효율 저하의 원인인 유기 소재의 뭉침 현상을 제어했다.
이에 앞서 공동 연구팀은 전자를 받아들이는 전자수용체 말단에 위치한 원자를 도입해 ‘비대칭 n형 반도체’를 개발했다. 반도체의 고분자화합물을 이루는 두 종류의 단량체를 결합시켜 새로운 ‘p형 공중합체(co-polymer) 반도체’ 또한 개발했다.
연구팀은 새로 개발된 반도체들의 혼화성을 조절해 대면적 유기 태양전지 소자 제작과정에서 유기 소재의 뭉침 현상을 제어하고, 박막의 거칠기를 수나노미터 단위에서 제어할 수 있는 균일한 광활성층 필름을 제작했다.
이번 연구에서 개발된 반도체들을 사용한 대면적 유기 태양전지는 58.5cm2의 큰 면적에서도 11.28%의 높은 전력 변환 효율을 기록했다. 지금까지 발표된 비슷한 크기의 유기 태양전지의 평균 전력 변환 효율인 6.69%와 비교해도 상당히 높은 성능이다.
손해정 박사는 “58.5cm2의 대면적 유기 태양전지에서도 1cm2 유기 태양전지 소자의 충진율을 유지했다”며 “1cm2 소자 대비 80% 전력 변환 효율 또한 유지하며 높은 효율 안정성을 달성했다”고 설명했다.
김봉수 화학과 교수는 “이번 연구는 n형 반도체와 p형 반도체 간의 혼화성 조절이 대면적 유기 태양전지 성능을 향상시킬 수 있다는 새로운 방향을 제시했다”며 “본 연구가 앞으로의 고효율의 대면적 유기 태양전지 개발에 기여할 수 있기를 기대한다”고 덧붙였다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 울산과학기술원 화학과 Peddaboodi Gopikrishna 연구원, 반도체 소재·부품 대학원 엄두현 연구원, KIST 이진형, 윤성원 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 7월 14일 온라인 게재됐다.
헬로티 이동재 기자 |
