김상섭 기자
물리학과 이진호교수 연구팀.(사진= 인천대 제공)
(뉴스통신=김상섭 기자) 인천대교수 연구팀이 계면기술개발로 고효율 탠덤 유기태양전지 상용화 가능성 높였다.
30일 인천대학교(총장 이인재)는 물리학과 이진호 교수 연구팀의 연구성과가 에너지소재 분야 세계적 권위 국제학술지 12월 14일자 온라인판에 발표됐다고 밝혔다.
유기태양전지는 가볍고 유연하며 투명하게 구현할 수 있어 건물일체형발전 (BIPV)이나 웨어러블 기기 등 다양한 분야에 적용가능한 꿈의 에너지원이다.
특히, 동일한 파장대의 빛을 흡수하는 두 개의 태양전지를 수직으로 적층한 동종탠덤 유기태양전지는 단일 구조 대비 높은 효율을 얻을 수 있어 상용화를 위한 핵심 기술로 꼽힌다.
하지만 탠덤구조에서 상부셀과 하 셀을 전기적으로 연결하는 전하 재결합층(Charge Recombination Layer)을 안정적으로 구현하는 것은 큰 공정상의 난제가 있었다.
기존에는 계면 쌍극자를 형성해 페르미 준위를 조절하는 PEI (polyethyleneimine)를 활용해 왔다.
그러나, 이 물질이 유기 태양전지 핵심 소재인 Y6 (BTP-4F)와 화학적으로 공격해 소자의 성능을 급격히 저하시키는 치명적인 단점이 보고됐다.
이진호 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전도성 고분자 PEDOT:PSS와 PEI를 조합해 전하 재결합층에 적용했다.
연구팀은 PEDOT:PSS에서 유래한 양성자 (H+)가 PEI를 즉각적으로 양성자화 (in-situ protonation)시켜 Y6에 대한 PEI의 반응성을 약화시키는 현상을 규명했다.
즉, PEDOT:PSS가 일종의 화학적 패시베이션 (Passivation)역할을 수행해 Y6소재를 보호하면서도, 전하 재결합층이 요구하는 전기적 기능을 안정적으로 구현토록 설계한 것이다.
이 기술을 적용한 유기 탠덤 태양전지는 18% 이상의 높은 효율을 기록했으며, 실제 태양광 조건하에서도 장시간 안정적 구동을 확인했다.
인천대 이진호 교수는 “이번 연구는 소자효율향상을 넘어, 명확히 규명되지 않았던 고분자 전해질과 유기반도체사이 복잡한 화학적 상호작용을 이해하고 제어했다는데 의의가 있다”고 말했다.
그러면서, “이 기술은 향후 유기태양전지의 상용화를 앞당기고, 차세대 광전 소자 안정성 확보에 핵심적으로 기여할 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 인천대 지능형반도체공학과 김경식(제1저자) 연구원을 중심으로 물리학과 손기찬ᆞ·신재호 연구원이 참여했다.
그리고, 김정우·ᆞ최수봉·ᆞ문병희·ᆞ김준호 교수, 한국화학연구원 채은총·ᆞ홍순일 박사, 글로벌 소재 기업 다우 (Dow Inc.) 경민규 박사와의 산학연 협력으로 수행됐다.
