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차세대 태양전지 효율·안정성↑…새 음극 계면층 물질 개발

최종수정 2021.05.11 09:30 기사입력 2021.05.11 09:30

GIST 홍석원 교수-ICL 김지선 연구팀 공동연구

태양전지. 자료사진. 기사와 관련이 없음.

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[아시아경제 김봉수 기자] 차세대 태양전지의 효율과 안정성을 높여주는 물질이 국내 연구진에 의해 개발됐다.


광주과학기술원(GIST)는 화학과 홍석원 교수팀이 영국 임페리얼 칼리지 런던(ICL) 김지선 교수 연구팀과 공동으로 차세대 태양전지로 각광받는 비(非)풀러렌 유기태양전지의 성능과 안정성 향상을 위한 신규 음극 계면층 물질(음전하를 띤 전자를 선택적으로 이동시킨다)을 개발했다고 11일 밝혔다. 비풀러렌 유기태양전지는 탄소 50~60개가 축구공 모양으로 연결된 풀러렌 구조가 아닌 전자 주게 광활성 소재(전자를 제공하며 스스로 발광하는 물질)다.

비풀러렌 유기태양전지는 20%에 가까운 에너지 전환효율로 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 그러나 기존의 음극 계면층 물질은 저온공정이 힘들거나 안정성에 문제가 있어 휘어지는 유기태양전지와 같은 고기능성 태양전지의 개발에 걸림돌이 됐다.


연구팀은 기존 음극 계면층 물질의 불안정성의 원인을 규명하는 한편 새로운 음극 계면층 물질의 개발을 통해 비 풀러렌 유기태양전지의 성능과 안정성을 동시에 높이는데 성공했다. 우선 2차원 핵자기공명 실험과 동위원소 표지 실험을 통해 대표적인 음극 계면층 물질로 알려진 폴리에틸렌이민과 비풀러렌 억셉터(non-fullerene acceptor) 사이의 화학 반응을 명확히 규명했다. 이를 통해 폴리에틸렌이민의 아민기(amine group)가 광활성 소재로 사용되는 비 풀러렌 억셉터의 역할을 방해한다는 것을 확인했다.

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연구팀은 저온 용액공정이 가능한 폴리에틸렌이민의 장점을 살리면서 반응성이 높은 아민기를 이민기(imine group)로 치환해 비 풀러렌 억셉터와의 반응성을 없애고 쌍극자 모멘트를 강화시킨 화학구조를 도입해 새로운 음극 계면층 물질을 개발했다. 특히 새로 개발된 음극 계면층 물질을 다양한 광활성 소재를 가진 태양전지에 적용해 15% 이상의 높은 에너지 전환효율과 섭씨 100도 이상의 혹독한 환경에서 360시간 이상 초기 성능을 거의 유지하는 높은 안정성을 입증했다.


연구팀은 "신규 음극 계면층 물질 개발을 통해 비 풀러렌 유기태양전지의 에너지 전환효율과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있었다"면서 "향후 다양한 치환체의 도입을 통한 음극 계면층 물질의 개발로 휘어지는 태양전지와 같은 고기능성 태양전지의 발전에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구 결과는 지난달 15일 재료화학 및 에너지소재 분야 세계적인 과학학술지인 'Journal of Materials Chemistry A' 의 표지에 온라인 게재됐다.


김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr
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