이번 연구를 수행한 UNIST 연구진. 김보미(왼쪽 아래부터) 연구원, 김봉수 교수, 엄두현 연구원.[UNIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 독성이 낮은 비할로겐 용매로 제작된 200㎠의 대면적 유기 태양전지에서 11.44%의 광전 변환 효율를 달성했다. 유기 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 다가서는 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수와 광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원, 신소재공학부 이광희 교수 공동연구팀이 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장함으로써 광활성층 필름의 균일도를 획기적으로 개선, 고효율의 대면적 유기 태양전지를 구현하는 데 성공했다.

기존 대면적 유기 태양전지는 클로로벤젠 같은 독성이 강한 할로겐 용매를 사용해 상용화에 큰 어려움을 겪었다. 하지만 상대적으로 독성이 낮은 비할로겐 용매를 사용할 경우, 광활성층 내의 비풀러렌 억셉터의 ‘뭉침 현상’으로 인해 필름의 균일도가 낮아져 대면적 유기 태양전지의 효율이 감소하는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 방법을 사용했다. 비할로겐 용매에서 비풀러렌 억셉터의 용해도가 향상됨에 따라 뭉침 현상이 효과적으로 감소되어 200cm2의 큰 면적에서도 균일한 광활성층 필름을 형성할 수 있었다.

특히 200㎠ 유기 태양전지의 광활성층에서 가장 적은 뭉침 현상과 소재 간의 높은 혼화성을 보여주어 최고 효율 11.44%를 기록했다.

광활성층 면적 200의 대면적 유기 태양전지.[UNIST 제공]

또한 공정에 사용된 슬롯-다이 코팅(Slot-die coating) 방법은 roll-to-roll 공정을 통한 대량 생산에 적합하여 차세대 유기 태양전지의 상용화 가능성을 한층 더 높였다.

김봉수 교수는 “비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장해 광활성층 내 뭉침 현상을 억제하는 데 성공했다”며 “유기 태양전지 상용화를 위한 소재 개발에 중요한 기여를 할 것”이라고 밝혔다.

한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 7월 18일 게재됐다.