박지웅 광주과학기술원 교수./사진제공=광주과학기술원© News1 박지웅 광주과학기술원(GIST·총장 김영준) 신소재공학부 교수 연구팀은 유기태양전지의 효율향상을 극대화할 수 있는 새로운 방법을 개발하는 데 성공했다고 24일 밝혔다.

박 교수가 한민구·김형수 박사과정 학생과 주도하고 미국 로렌스 버클리국립연구소 비유 마(Biwu Ma) 박사, 아주대 서형탁 교수와 공동 수행한 이번 연구 결과는 재료 및 응용분야의 권위 있는 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티어리얼즈(Advanced Materials)의 온라인 어얼리 뷰(9월13일)에 게재됐다.

교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 일환으로 진행된 이번 연구에서 박교수팀은 유기태양전지에서 전자주게(Electron donor)와 전자받게(Electron acceptor) 물질 사이에 3차원적으로 불규칙하게 형성돼 있는 계면을 따라 매우 얇은 보호막을 삽입함으로써 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

유기 고분자 태양전지 효율을 높이기 위한 방법으로 현재까지 학계에 보고된 것은 주로 활성층과 외부 전극 사이에 전하의 이동을 도와주는 계면 물질을 적층해 효율 증대를 꾀하는 데에 국한돼 왔다. 이는 활성층 내부의 전자주게와 전자받게 사이의 계면이 불규칙한 삼차원 미세구조를 가진 탓에 일반적인 적층법으로는 어떤 계면 특성 제어가 힘들기 때문이다. 실제적으로 유기태양전지에서 전자주게와 전자받게 사이에 전하 이동의 손실이 가장 많이 일어난다.

하지만 박 교수팀은 간단히 블록공중합체를 소량 혼합해 열처리함으로써 물질의 자발적인 조립 현상으로 전자주게와 전자받게 사이의 계면 보호층을 형성하도록 했다. 이렇게 3차원적으로 형성된 보호층은 실제적으로 전기가 발생하는 활성층 내에서 전자와 정공의 재결합을 막음으로써 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다는 사실을 규명해냈다.

박 교수는 "전자주게인 고분자와 전자받게인 플러렌 입자를 혼합해 제조하는 고분자 태양전지의 활성층은 수십 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 미세한 상이 서로 삼차원적으로 무작위하게 얽혀 있는 형태를 가진다"면서 "이때 전자주게 고분자가 빛을 받으면 전자받게에 전자를 내주게 되어 전류가 흐르게 된다. 이 과정이 효과적으로 진행되도록 하면 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다"고 설명했다.

그는 두개 또는 그 이상의 고분자 사슬을 공유결합으로 연결한 고분자인 새로운 블록 공중합체(Block copolymer)를 제조하고 이를 활성층에 소량 첨가해 간단하게 열처리 함으로써 활성층의 전자주게와 전자받게의 계면을 따라 보호층을 형성해 전지 효율을 높이는 방법을 개발하는 데 성공했다.

이번 연구는 현재까지 사용되는 고분자태양전지의 효율을 높이기 위한 여러 방법들이 접근하지 못했던 활성층 내부의 전자주게와 전자받게 사이의 불규칙한 계면을 매우 간단한 방법으로 조절할 수 있다는 사실을 보여준 것이다.

기존에 활성층 외부의 태양전지 구조를 최적화하던 방법과 달리 활성층 내부에서의 전하의 이동 손실을 줄임에 따라 기존 방법들과 함께 적용하면 유기태양전지의 효율 향상을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 다른 구조를 가진 고분자 태양전지에도 동일한 방식으로 적용이 가능할 것으로 예상된다.

박 교수는 “유기태양전지에서 발생되는 활성층의 전하 이동 손실을 줄일 수 있는 범용 기술"이라면서 "기존에 개발되었거나 앞으로 개발될 고분자 태양전지들에 비슷한 방식을 적용할 경우 상당한 효율 증가가 있을 것으로 전망된다”고 말했다.


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