[뉴스웍스=문병도 기자] 이은지 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수 연구팀이 유기태양전지 내 광활성층에 전도성 고분자 나노전선 제조 기술을 도입하여 태양광 조사했을 때 전지의 안정성을 확보할 수 있는 기술을 개발했다. 

전도성 고분자 물질을 기반으로 한 유기태양전지는 기존의 무기물 기반 태양전지에 비해 제작 단가가 저렴하고, 가볍고 유연한 장점을 가지고 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

고효율 유기태양전지의 개발에도 불구하고 실제 태양광 아래에서 사용 시 초기 효율이 급격하게 저하되는 문제점이 있어 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

무기물에 대비하여 유기물이 가지는 본질적인 준안정 상태 및 열화 현상은 유기태양전지 개발에 있어 고려해야할 중요한 문제이다.

빛이나 산소 투과에 의한 광활성층의 물리·화학적인 열화는 전자 주개와 전자 받개 물질의 거대응집을 초래하여 두 물질의 접합계면을 감소시키고, 이는 정공이나 전자 이동을 방해시켜 결과적으로 유기태양전지의 효율 저하를 일으킨다. 이러한 광활성층의 형태학적 구조 변화는 적절한 분석도구의 부재로 직접적으로 밝혀진 바가 없었다.

연구팀은 용액상에서 폴리헥실싸이오펜 전도성 고분자의 결정화를 유도하여 약 10나노미터 두께를 가지는 나노전선을 제조하였고, 플러렌 유도체와 혼합하여 이종 접합 구조를 갖는 광활성층 박막을 제조했다.

이를 통해 열이나 용매를 이용한 후처리 공정없이도 광전변환효율을 극대화할 수 있도록 엑시톤 확산거리를 만족시키는 전자 주개와 받개의 상분리를 유도하였고, 광조사에 따른 형태학적 구조 및 효율변화는 일반적인 블랜드 광활성층 박막과 비교하여 확인했다.  

나노전선 기반의 광활성층은 나노전선 내부의 고분자 간 강한 파이 결합으로 인해 산소나 물에 의한 침투가 억제되어, 광조사 후에도 각 전극으로의 효과적인 여과경로를 보이는 초기의 삼차원적인 형태학적 구조를 잘 유지하여 초기 효율 대비 15%의 성능저하만을 보였다.

유기태양전지 광활성층의 형태학적 구조와 효율 저하의 상관관계는 삼차원 전자토모그래피 및 전산모사 분석법을 통해 정량적으로 규명했다.

이은지 교수는 “이번 연구는 고분자 자기조립 나노기술을 유기태양전지 광활성층에 도입하여 소자 안정성을 확보하였을 뿐 아니라 효율저하를 야기하는 광활성층의 열화 메카니즘을 규명할 수 있는 분석 플랫폼을 구축하였다는 점에서 큰 의의가 있으며, 이를 토대로 기존에 개발된 고효율 유기태양전지의 장기안정성을 재평가하고 문제점을 개선하여 상용화에 기여할 수 있기를 기대한다”라고 말했다.

한국연구재단 재원으로 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행되고 진선미 박사과정생이 참여한 이번 연구성과는 재료분야 저명 학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A'에 지난달 30일 게재됐다.