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연구재단, 수명 높인 다성분계 유기태양전지 기술 개발
2017-03-01

수명 높인 다성분계 유기태양전지 기술 개발
건물 창과 외벽 미관용 창호형 태양전지에 적용 기대
미래 신재생 에너지원으로 각광받는 유기 태양전지의 효율과 수명을 높인 기술이 개발됐다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 경희대 고두현 교수와 한국과학기술연구원 권석준 박사 공동연구팀이 기존 태양전지보다 효율과 수명이 연장된 유기태양전지기술을 개발했다고 밝혔다. 연구재단에 따르면, 이번에 개발된 태양전지기술은 건물 창이나 외벽 미관 용도의 창호형 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

벌크 이종접합방법 개발로 기존 전지 단점 개선
유기 태양전지는 태양빛을 받아 생성된 전자를 주는 물질인 도너(donor)와 태양빛을 받아 생성된 전자를 받는 물질인 억셉터(accepter)가 혼합된 유기물질로 만들어진다. 그 동안 유기태양전지는 작동 중에도 도너와 억셉터가 지속적으로 분리되어 효율과 수명이 저하됐다. 연구팀은 도너와 억셉터 대신, 서로 다른 2가지 종류의 고분자 도너와 2가지 종류의 탄소원자가 포함된 억셉터 물질을 특정비율로 혼합하는 4성분계 벌크 이종접합방법을 개발하고 이를 태양전지에 적용했다.
연구결과 섭씨 65℃의 비교적 높은 온도에서 1년 간 보관했을 때, 초기 광전변환 효율인 72% 이상을 유지했다. 기존 태양전지가 1개월 내 성능이 초기효율 대비 50%로 급감하는 것과는 대조적이다. 여름 철 자동차 내부 실내 온도보다 높은 섭씨 120℃에 이르는 고온 등 혹독한 환경에서도 1개월 내 성능이 초기 광전변환 효율의 약 70% 이상을 유지했다. 뿐만 아니라 다성분계 벌크 이종 접합 태양전지는 광흡수영역을 확대시키고, 도너-억셉터 간의 계면을 증가시켜 효율이 약 11% 향상됐다. 다성분계 태양전지에 사용되는 광흡수 물질의 흡수 영역 및 물질 간의 비율에 따라 푸른색에서 붉은색까지 사람의 눈에 보이는 색상의 차이를 미세하게 조절할 수 있다.
고두현 교수는 “이 연구는 유기 태양전지의 효율 및 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 플랫폼 기술을 개발한 것이다. 눈에 보이는 색상의 차이를 미세하게 조절할 수도있어 건물 창이나 외벽에 미학적인 용도로 사용하는 창호형 태양전지로 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

가시 색상차 미세 조절 가능. 건물 외벽 창 등 화려함 창출 
그동안 다양한 실험과 계산을 통해 4성분계 유기 태양전지는 수 년 이상의 기대수명을 갖는 것으로 확인됐다. 또한, 섭씨 120℃에 이르는 고온과 지속적인 자외선 노출 등의 혹독한 환경에서 작동할 경우에도 장기적으로 양호한 광·전변환효율 및 내구성을 확보할 수 있는 것으로 확인됐다. 4성분계 유기 태양전지 플랫폼은 사용되는 물질의 흡수 영역 및 물질간의 비율에 따라 사람의 눈에 보이는 색상의 차이를 미세하게 조절할 수도 있어 건물 외벽과 창 등에 설치하여 화려한 외관을 창출함과 동시에 전기를 생산해내는 소위 창호형 태양전지 용도에서 활용이 크게 기대된다. 

이 연구는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받아 수행됐으며, 국제적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 1월 16일자에 게재됐다. 논문명은 Long-term efficient organic photovoltaics based on quaternary bulk heterojunction
저자정보 고두현 교수(교신저자, 경희대학교 응용화학과), 권석준 박사(공동 교신저자, 한국과학기술연구원), 남민우 박사(제1저자, 경희대학교 응용화학과), 차민정 공동 제1저자, 경희대학교 응용화학과), 이현휘 박사, 허가현 박사, 한일기 박사, 유재홍
자료 : 한국연구재단


 
[그림 1] (왼쪽)4성분계 광 활성층으로 이루어진 ‘고 수명 다성분계 유기 태양전지’의 구조와 (오른쪽)광활성층 물질의 화학적 구조


[그림 2] 프린팅 기법으로 제작 가능한 대면적 유기 태양전지 도식도

<용어설명>
1. Nature Communication : 영국에서 발행되는 세계적 권위의 국제적으로 저명한 학술지.(피인용지수 : 11.329)
2. 유기 태양전지 : 유기 태양전지는 외부의 태양빛을 받아 전기를 생산하는 디바이스로 종래에는 한 쌍의 고분자 도너(donor)와 풀러렌(fullerene)계 억셉터(acceptor)가 혼합되어 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ)이 형성된 광활성층으로 이루어진다. 이때 두 물질의 계면에서 분리된 전하가 전극에 수집되어 최종적으로 외부회로를 통해 전류형태로 흐르는 원리를 갖는다. 따라서 이러한 고분자 도너와 풀러렌계 억셉터가 형성되어 있는 영역을 수 나노미터 단위로 제어하는 것이 태양전지의 효율 및 수명을 결정짓는 요소로 작용하게 된다.
3. 풀러렌(fullerene) : 탄소 원자가 구, 타원체, 원기둥 등의 모양으로 배치된 분자를 통칭하는 말로, 속이 빈 분자성 물질이며, 축구공과 같이 오각형, 육각형 등의 모양으로 구성되어 있다.
4. 벌크 이종접합(bulk heterojunction) : 서로 다른 성분을 갖는 벌크 단위의 물질 간의 접합
5. 도너 : 태양빛을 받아 생성된 전자를 주는 물질
6. 억셉터 : 태양빛을 받아 생성된 전자를 받는 물질.

 

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