[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 홍석원 화학과 교수와 김지선 영국 임페리얼 칼리지 런던 교수 연구팀이 차세대 태양전지로 각광받는 비(非)풀러렌 유기태양전지의 성능과 안정성 향상을 위한 신규 음극 계면층 물질을 개발했다고 11일 밝혔다.

비(非)풀러렌 유기태양전지는 풀러렌 구조가 아닌 전자주게 광활성 소재를 포함한 태양전지를 말한다.

기존 음극 계면층 물질의 불안정성 원인 규명 메커니즘 및 신규 음극 계면층 물질의 화학적 안정성에 관한 이미지와 비 풀러렌 유기태양전지의 성능과 안정성이 향상된 그래프 [자료=광주과학기술원] 2021.05.11 biggerthanseoul@newspim.com

최근 차세대 태양전지로 비 풀러렌 유기태양전지는 20%에 가까운 에너지 전환효율로 주목받고 있다. 다만, 기존 음극 계면층 물질은 저온공정이 힘들거나 안정성에 문제가 있어 휘어지는 유기태양전지와 같은 고기능성 태양전지의 개발이 쉽지 않은 상황이다.

연구팀은 기존 음극 계면층 물질의 한계를 극복하기 위해 기존 음극 계면층 물질의 불안정성의 원인을 규명하고 신규 음극 계면층 물질의 개발을 통해 비 풀러렌 유기태양전지의 성능과 안정성을 동시에 높이는데 성공했다.

2차원 핵자기공명 실험과 동위원소 표지 실험을 통해 대표적인 음극 계면층 물질로 알려진 폴리에틸렌이민과 비(非)풀러렌 억셉터(non-fullerene acceptor) 사이의 화학반응도 명확히 규명했다. 이를 통해 폴리에틸렌이민의 아민기(amine group)가 광활성 소재로 사용되는 비 풀러렌 억셉터의 역할을 방해한다는 것을 확인할 수 있었다.

또 저온 용액공정이 가능한 폴리에틸렌이민의 장점을 살리면서 반응성이 높은 아민기를 이민기(imine group)로 치환해 비 풀러렌 억셉터와의 반응성을 없애고 쌍극자 모멘트를 강화시킨 화학구조를 도입, 새로운 음극 계면층 물질을 개발했다.

새로 개발된 음극 계면층 물질을 다양한 광활성 소재를 가진 태양전지에 적용해 15% 이상의 높은 에너지 전환효율과 100°C 이상의 혹독한 환경에서 360시간 이상 초기 성능을 거의 유지하는 높은 안정성도 입증했다.

이번 신규 물질 개발로 휘어지는 태양전지와 같은 고기능성 태양전지의 발전에 기여할 수 있을 것이라는 게 광주과기원의 전망이다.

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

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