GIST, 유기 태양전지 수명 1000시간 이상 증가 성공

차세대 태양전지 주목받지만
고온에서 성능 감소 해결 숙제

광주과학기술원·에너지융합대학원 공동연구팀. 왼쪽부터 이광희 교수, 김희주 교수, 이산성 박사과정생. [사진 제공=광주과학기술원]

광주과학기술원(GIST·지스트) 연구진이 유기 태양전지가 고온에서 성능이 감소하는 문제를 해결해 수명을 기존의 약 50배인 1000시간 이상 늘리는 연구에 성공했다.

지스트는 7일 “지스트 신소재공학부 이광희 교수와 에너지융합대학원 김희주 교수 공동 연구팀이 스스로 얇은 보호층을 형성하는 단분자를 활용해 추가적인 코팅 공정 없이 유기 태양전지의 긴 수명을 확보했다”고 밝혔다.

유기 태양전지는 유기물 반도체를 태양전지에서 빛을 흡수하며 전기를 생산하는 ‘광활성 층’으로 활용해 자동차 유리나 건물 창문에도 활용될 수 있는 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 고온에서 성능이 감소하는 문제 때문에 이를 해결하기 위한 연구들이 진행되고 있다.

성능 감소 원인은 열에 의해 유기물 분자들이 움직여 전하수송에 좋지 못한 형태로 변형되는 것이 주된 원인으로 알려져 있다. 때문에 성능 감소 문제를 해결하기 위해 유기물의 화학적 구조를 바꿔 열에 의한 움직임을 억제하려는 연구들이 진행되고 있다.

공동 연구팀은 유기 태양전지의 ‘전자수송 층’으로 주로 사용되는 산화아연의 표면에 화학적으로 반응성이 있는 성분들이 존재함에도 고온 환경에서 일어날 수 있는 열화에 관한 연구는 지금까지 거의 이뤄지지 않았던 점에 주목했다.

연구팀은 단분자 유기물 반도체가 산화아연 표면에 존재하는 불순물과 반응할 때 손상되는 현상과 단분자 유기물의 유동성이 커질수록 손상이 더 많이 발생하는 현상을 확인했다.

연구팀은 극성과 휘발성을 가지는 단분자 유기물인 ‘5-Methyl-1H-benzotriazole(이하 M-BT)’을 광활성 층 용액에 혼합해 광활성 층 코팅 시 산화아연 표면에 단분자 유기물이 자기조립(self-assembly) 돼 표면 불순물 제거 및 보호층을 형성하도록 했다.

연구 결과 서로 다른 유동성을 가지는 세 종류의 단분자 유기물 반도체(Y6·L8BO·DTY6) 중 유동성이 큰 단분자(DTY6)를 사용한 유기 태양전지일수록 수명이 향상된 정도(1000시간 후 68% 향상)가 가장 컸던 것으로 나타났다. 또 태양전지의 초기 효율의 15%가 감소하기까지 걸리는 시간도 기존 20시간(M-BT 미포함)에서 1000시간 이상으로 약 50배 늘어난 것으로 나타났다.

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

신소재공학부 이광희 교수와 에너지융합대학원 김희주 교수가 지도하고 이산성 박사과정생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업, 기후변화대응기술개발사업 및 GIST GRI사업 등의 지원을 받았다. 연구 성과는 Material Science 분야 상위 약 4% 저널인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF: 23.991)’에 지난달 31일 온라인 게재됐다.