왼쪽 원형부터 제1저자 고피크리슈나 연구원, 제 1저자 엄두현 연구원, 김봉수 교수. (유니스트 제공)

유니스트(UNIST)는 화학과 김봉수 교수팀은 한국과학기술연구원(KIST) 차세대 태양전지 연구센터 손해정 박사팀과 공동으로 고효율의 대면적 유기 태양전지 소재를 개발했다고 17일 밝혔다.

n형 반도체와 p형 반도체가 섞이는 혼화성을 조절해 기존 대면적 유기 태양전지 효율 저하의 원인인 유기 소재의 뭉침 현상을 제어했다.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.

먼저 공동 연구팀은 전자를 받아들이는 전자수용체 말단에 위치한 원자를 도입해 '비대칭 n형 반도체'를 개발했다. 반도체의 고분자화합물을 이루는 두 종류의 단량체를 결합시켜 새로운 'p형 공중합체 반도체' 또한 개발했다.

연구팀은 새로 개발된 반도체들의 혼화성을 조절해 대면적 유기 태양전지 소자 제작과정에서 유기 소재의 뭉침 현상을 제어했다.

또 박막의 거칠기를 수나노미터 단위에서 제어할 수 있는 균일한 광활성층 필름을 제작했다.

이번 연구에서 개발된 반도체들을 사용한 대면적 유기 태양전지는 58.5㎠의 큰 면적에서도 11.28%의 높은 전력 변환 효율을 기록했다.

지금까지 발표된 비슷한 크기의 유기 태양전지의 평균 전력 변환 효율인 6.69%와 비교해 높은 성능이다.

손 박사는 "58.5㎠의 대면적 유기 태양전지에서도 1㎠ 유기 태양전지 소자의 충진율을 유지했다"며 "1㎠ 소자 대비 80% 전력 변환 효율 또한 유지하며 높은 효율 안정성을 달성했다"고 설명했다.

김봉 교수는 "이번 연구는 n형 반도체와 p형 반도체 간의 혼화성 조절이 대면적 유기 태양전지 성능을 향상시킬 수 있다는 새로운 방향을 제시했다"며 "이번 연구가 앞으로의 고효율의 대면적 유기 태양전지 개발에 기여할 수 있기를 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 유니스트 화학과 고피크리슈나 연구원과 반도체 소재·부품 대학원 엄두현 연구원, KIST 이진형 연구원과 윤성원 연구원이 제1저자로 참여했다.

연구 결과는 세계적인 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 7월 14일자 온라인 게재됐다.


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