광주과학기술원(GIST, 총장 임기철) 연구진이 유기 태양전지의 수명을 기존의 약 50배인 1000시간 이상 획기적으로 늘리는 데 성공했다.

GIST는 신소재공학부 이광희 교수와 에너지융합대학원 김희주 교수 공동 연구팀이 스스로 얇은 보호층을 형성하는 단분자를 활용해 추가적인 코팅 공정 없이 유기 태양전지의 긴 수명을 확보했다고 7일 밝혔다.

유기 태양전지는 유기물 반도체를 광활성 층으로 활용해 유연하고 색상 조절이 가능하며 투명해서 자동차 유리 및 건물 창문에도 활용될 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

하지만 유기 태양전지는 고온에서 성능이 감소하는 문제가 있는데, 열에 의해 유기물 분자들이 움직여 전하수송에 좋지 못한 형태로 변형되는 것이 주된 원인으로 알려져 있다.

연구팀은 오비트랩·비행시간차 혼성 이차이온 질량분석기를 통해 단분자 유기물 반도체가 산화아연 표면에 존재하는 불순물과 반응할 때 손상되는 현상과, 단분자 유기물의 유동성이 커질수록 그 손상이 더 많이 발생하는 현상을 확인했다.

또 극성과 휘발성을 갖는 단분자 유기물을 광활성 층 용액에 혼합해 광활성 층 코팅 시 산화아연 표면에 단분자 유기물이 자기조립돼 표면 불순물 제거 및 보호층을 형성하도록 했다.

서로 다른 유동성을 가지는 세 종류의 단분자 유기물 반도체 중 유동성이 큰 단분자를 사용한 유기 태양전지일수록 수명이 향상된 정도가 가장 컸으며 태양전지의 초기 효율의 15%가 감소하기까지 걸리는 시간이 기존 20시간에서 1000시간 이상으로 약 50배 늘어나 수명이 대폭 향상됨을 확인했다.

이광희 교수는 “이번 연구는 광활성 층의 형태학적 안정성에만 초점이 맞춰진 기존 열 안정성 연구들의 흐름에서 벗어나 간단히 하나의 단분자를 광활성 층 용액에 첨가하는 것만으로 전자수송 층의 표면을 안정화해 태양전지의 열적 안정성을 크게 향상했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

이·김 교수가 지도하고 이산성 박사과정생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업, 기후변화대응기술개발사업 등의 지원을 받았으며, 연구 성과는 ‘ACS 에너지 레터스'에 8월 31일 온라인 게재됐다.