자기조립 물질(M-BT) 도입에 따른 효율 및 안정성 변화.

광주과학기술원(GIST) 연구진이 유기 태양전지의 수명을 기존의 약 50배인 1000시간 이상 획기적으로 늘리는 데 성공했다.

GIST는 신소재공학부 이광희 교수와 에너지융합대학원 김희주 교수 공동 연구팀이 스스로 얇은 보호층을 형성하는 단분자를 활용해 추가적인 코팅 공정 없이 유기 태양전지의 긴 수명을 확보했다고 7일 밝혔다.

유기 태양전지는 유기물 반도체를 광활성 층으로 활용해 유연하고 색상 조절이 가능하며 투명해서 자동차 유리 및 건물 창문에도 활용될 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

하지만 유기 태양전지는 고온에서 성능이 감소하는 문제가 있는데, 열에 의해 유기물 분자들이 움직여 전하수송에 좋지 못한 형태로 변형되는 것이 주된 원인으로 알려져 있다.

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연구팀은 오비트랩·비행시간차 혼성 이차이온 질량분석기를 통해 단분자 유기물 반도체가 산화아연 표면에 존재하는 불순물과 반응할 때 손상되는 현상과, 단분자 유기물의 유동성이 커질수록 그 손상이 더 많이 발생하는 현상을 확인했다.

또 극성과 휘발성을 갖는 단분자 유기물을 광활성 층 용액에 혼합해 광활성 층 코팅 시 산화아연 표면에 단분자 유기물이 자기조립돼 표면 불순물 제거 및 보호층을 형성하도록 했다.

서로 다른 유동성을 가지는 세 종류의 단분자 유기물 반도체 중 유동성이 큰 단분자를 사용한 유기 태양전지일수록 수명이 향상된 정도가 가장 컸으며 태양전지의 초기 효율의 15%가 감소하기까지 걸리는 시간이 기존 20시간에서 1000시간 이상으로 약 50배 늘어나 수명이 대폭 향상됨을 확인했다.

이광희 교수는 “이번 연구는 광활성 층의 형태학적 안정성에만 초점이 맞춰진 기존 열 안정성 연구들의 흐름에서 벗어나 간단히 하나의 단분자를 광활성 층 용액에 첨가하는 것만으로 전자수송 층의 표면을 안정화해 태양전지의 열적 안정성을 크게 향상했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

이·김 교수가 지도하고 이산성 박사과정생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업, 기후변화대응기술개발사업 등의 지원을 받았으며, 연구 성과는 ‘ACS 에너지 레터스\'에 8월 31일 온라인 게재됐다.

/이동기 기자