GIST-UNIST, 대면적 유기 태양전지… 독성 낮추고 효율 높여

신규 광활성층 소재 개발로 대면적 유기태양전지 효율 11.44% 돌파

[인더스트리뉴스 이건오 기자] 국내 연구진이 독성이 낮은 비할로겐 용매로 제작된 200cm²의 대면적 유기 태양전지에서 11.44%의 광전 변환 효율(PCE)을 달성했다.

연구에 사용된 물질의 화학구조 및 대면적 유기 태양전지 효율 비교 [사진=GIST]

광주과학기술원(GIST)은 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원·신소재공학부 이광희 교수와 울산과학기술원(UNIST) 김봉수 교수 공동 연구팀이 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장함으로써 광활성층 필름의 균일도를 획기적으로 개선하고, 고효율의 대면적 유기 태양전지를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구 성과는 유기 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 다가서는 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.

유기 태양전지는 건물의 스마트 창문에서부터 웨어러블 기술까지 다양한 응용 분야에 쉽게 통합될 수 있는 잠재력이 있어 유기 태양전지의 상용화를 위한 대면적 유기 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.

기존 대면적 유기 태양전지는 독성이 강한 할로겐 용매를 사용해 환경과 인체에 해로우므로 상용화에 어려움을 겪었고, 독성이 낮은 비할로겐 용매는 비풀러렌 억셉터의 ‘뭉침 현상’으로 필름의 균일도가 낮아져 유기 태양전지의 활성층의 면적이 커질수록 효율이 감소하는 문제가 있었다.

이에 비할로겐 용매를 사용했을 때 비풀러렌 억셉터의 뭉침 현상을 줄인 균일한 대면적 광활성층 필름을 형성할 수 있는 새로운 소재 개발의 필요성이 촉구되고 있다.

광활성층 면적 200cm²의 대면적 유기 태양전지 사진 [사진=GIST]

연구팀은 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 방법을 사용했다. 비할로겐 용매에서 비풀러렌 억셉터의 용해도가 향상됨에 따라 뭉침 현상이 효과적으로 감소돼 200cm²의 큰 면적에서도 균일한 광활성층 필름을 형성할 수 있었다.

이번 연구는 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 것이 비할로겐 용매로 제작한 대면적 유기 태양전지의 효율을 향상시키는 데 효과적인 전략임을 입증했으며, 이러한 접근법은 광활성층 내에서 비풀러렌 억셉터의 뭉침 현상을 줄이고 필름의 균일도를 크게 개선하여 대면적 유기 태양전지의 효율을 높였다.

연구팀은 비할로겐 용매인 0-자일렌에서 비풀러렌 억셉터의 뭉침 현상에 알킬 체인의 비대칭적 확장이 미치는 영향을 조사했다. 이번 연구에서는 L8-BO(EH-EH)의 알킬 체인을 연장해 2-헵틸운데실(HU), 2-데실테트라데실(DT), 2-도데실헥사데실(DH) 그룹으로 대체해 각각 L8-BO(HU-HU), L8-BO(HU-DT), L8-BO(HU-DH)의 신규 비풀러렌 억셉터 3종을 개발했다.

알킬 체인이 확장된 신규 비풀러렌 억셉터들은 0-자일렌에 대한 용해도가 기존 L8-BO(EH-EH)에 비해 크게 향상되고 뭉침 현상이 억제돼 더 균일한 광활성층 필름을 형성하는 데 기여했다. 특히 알킬 체인이 비대칭적으로 확장된 비풀러렌 억셉터 중 L8-BO(HU-DT)가 포함된 혼합 필름에서 가장 적은 뭉침 현상이 확인됐다.

그 결과 광활성층 면적 200cm²의 대면적 유기 태양전지에서 L8-BO(HU-DT)를 사용한 PM6:L8-BO(HU-DT):PC70BM 기반 유기 태양전지가 11.44%의 고효율을 달성했다. 이는 비할로겐 용매로 제작된 대면적 유기 태양전지 중에서도 매우 높은 효율에 해당하며, 동일한 면적의 PM6:L8-BO(EH-EH):PC70BM 기반 유기 태양전지보다(6.50%) 훨씬 우수한 성능을 나타낸다.

사진 왼쪽부터 GIST 강홍규 책임연구원, 이광희 교수, 이양수 연구원(제1저자) [사진=GIST]

왼쪽 아래부터 김보미 연구원, 김봉수 교수, 엄두현 연구원 [사진=UNIST]

GIST 강홍규 박사는 “이번 연구 성과를 통해 독성이 낮은 비할로겐 용매를 사용함으로써 차세대 유기 태양전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다”며, “슬롯-다이 코팅 방법이 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정에 적합해 대면적 유기 태양전지의 대량 생산 및 상용화 가능성을 크게 높였다”고 설명했다.

UNIST 김봉수 교수는 “비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장해 광활성층 내 뭉침 현상을 억제하는 데 성공했다”며, “유기 태양전지 상용화를 위한 소재 개발에 중요한 기여를 할 것”이라고 밝혔다.

한편, GIST 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원이 지도하고 차세대에너지연구소 이양수 연구원이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 기후변화대응기술개발사업, GIST 차세대에너지연구소 기관고유사업의 지원을 받았으며, 재료 분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 2024년 7월 18일 온라인으로 게재됐다.

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