지스트 박지웅 교수팀,
유기태양전지 효율 개선 방법 개발  
 (Advanced Materials誌 발표)

“3차원 불규칙 계면에서 전하 이동 증가시킬 화학적 접근법 제시”

 

          

 

 

  광주과학기술원(지스트·GIST·총장 김영준) 신소재공학부 박지웅 교수 연구팀이 유기태양전지에서 전자주게(electron donor)와 전자받게(electron acceptor) 물질 사이에 3차원적으로 불규칙하게 형성되어 있는 계면을 따라 매우 얇은 보호막(Passivation layer)을 삽입함으로써 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있는 새로운 방법을 개발했다.  

 

  지스트 박지웅 교수(한민구·김형수, 이상 박사과정)가 주도하고 미국 로렌스 버클리 국립연구소의 Biwu Ma 박사, 아주대 서형탁 교수가 공동 수행한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원(핵심기초, 핵심공동) 사업의 지원으로 수행되었고, 재료 및 응용분야의 권위 있는 국제 학술지인 ‘Advanced Materials (IF=13.877)’지의 온라인 early view에 게재(9월 13일)되었다.

(논문명: Photovoltaic Efficiency Enhancement by the Generation of an Embedded Silica-Like Passivation Layer along the P3HT/PCBM Interface Using an Asymmetric Block-Copolymer Additive)

 

  일반적인 고분자 태양전지의 활성층은 전자주게인 고분자와 전자받게인 플러렌 입자를 혼합하여 제조한다. 이 두 물질은 서로 완전히 섞이지 않고 상분리(phase-separation) 되어 수십 나노미터(십억분의 1미터)  크기의  미세한  상이 서로 삼차원적으로 무작위하게 얽혀 있는 형태를 가진다. 이때 전자주게 고분자가 빛을 받으면 전자받게에 전자를 내주게 되어 전류가 흐르게 된다. 이 과정이 효과적으로 진행되도록 하면 태양전지의 효율을 증대시킬 수 있다. 박 교수팀은 새로운 블록 공중합체*(Block copolymer)를 제조하고, 이를 활성층에 소량 첨가하고 간단하게 열처리 함으로써 활성층의 전자주게와 전자받게의 계면을 따라 보호층**(Passivation layer)을 형성하여 그 전지 효율을 높이는 방법을 개발하는 데 성공했다.
    *) 블록공중합체(Block copolymer) : 두 개 또는 그 이상의 고분자 사슬을 공유결합으로 연결한 고분자
    **) 보호층(Passivation layer) : 반도체 소자의 표면이나 접합부에 적당한 처리를 하고 유해환경을 차단하여 소자 특성의 안정화를 도모하는 것.

 

  유기 고분자태양전지 효율을 높이기 위한 방법으로 현재까지 학계에 보고된 것은, 주로 활성층과 외부 전극 사이에 전하의 이동을 도와주는 계면 물질을 적층하여 효율 증대를 꾀하는 데에 국한되어 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 혼합하여 열처리함으로써 물질의 자발적인 조립 현상으로 전자주게와 전자받게 사이의 계면 보호층을 형성하도록 하였다. 이렇게 3차원적으로 형성된 보호층은 실제적으로 전기가 발생하는 활성층 내에서 전자와 정공의 재결합을 막음으로써 태양전지의 효율을 향상하게 되었다.

 

  이번 연구는 현재까지 사용되는 고분자태양전지의 효율을 높이기 위한 여러 방법들이 접근하지 못했던 활성층 내부의 전자주게와 전자받게 사이의 불규칙한 계면을 매우 간단한 방법으로 조절할 수 있음을 보여주었다. 이 결과는 기존에 활성층 외부의 태양전지 구조를 최적화하고자 하던 방법과 달리 활성층 내부에서의 전하의 이동 손실을 줄이는 것이다. 따라서 기존 방법들과 함께 적용하면 유기태양전지의 효율 향상을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다.  

 

  또한, 박 교수팀이 개발한 방법은 논문에서 사용된 것과 다른 구조를 가진 고분자 태양전지에도 동일한 방식으로 적용이 가능할 것으로 기대되고 있다.

 

  박지웅 교수는 “유기태양전지에서 발생되는 활성층의 전하 이동 손실을 줄일 수 있는 범용 기술로서, 기존에 개발되었거나 앞으로 개발될 고분자 태양전지들에 비슷한 방식을 적용할 경우 상당한 효율 증가가 있을 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 밝혔다.      <끝>

 

 

지스트 홍보기금팀

 

(*연구에 대한 보다 자세한 사항은 첨부된 보도자료 참조)

(**매일경제,파이낸셜뉴스,더사이언스,뉴스1 등 보도)