포항공대, 유기태양전지 성능 확 끌어올릴 새 범용 구조 제시

조길원 교수 연구팀, '나노복합박막'으로 효율 최대 4배 높여

조길원 교수

포스텍(포항공과대학교) 연구팀이 유기태양전지에 사용된 고분자 반도체 물질의 종류와 관계없이 광전환 효율*1을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새 구조를 개발해 관련 학계에서 비상한 관심을 끌고 있다.

포스텍 화학공학과 조길원 교수, 조새벽 박사 연구팀은 유기태양전지가 빛을 받아 생성한 전류는 미세한 전기장의 변화에 민감하게 반응한다는 점을 응용해 유기태양전지 효율을 끌어올릴 수 있는 기술을 개발하고, 관련 논문을 재료과학분야 권위지 ‘어드밴스드에너지머티리얼스(Advanced Energy Materials)’ 지난 9일자 표지논문으로 발표했다고 18일 밝혔다.

특히 이번 연구 성과는 유기태양전지에 사용된 다양한 반도체 고분자마다 새로운 소자구조가 필요하다는 단점을 극복하고, 효율을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 범용 구조를 제안했다는 점에서 남다른 의미가 있다.

연구팀은 우선 강유전성*2 고분자를 이용하면 박막(薄膜) 내의 쌍극자*3를 한 방향으로 정렬할 수 있다는 점에 착안하여, 반도체 고분자의 광활성층과 전극 사이에 ‘강유전성 나노복합박막’을 하나 더 만들었다.

이렇게 삽입된 막은 생성된 전자와 정공*4이 각각 양극과 음극으로만 흐르게 하는 전류의 ‘수도꼭지’ 역할을 하기 때문에 광전류의 손실을 최소화 할 수 있다.

이를 통해 수 밀리 초의 짧은 외부전기장을 서서히 더해주는 것만으로 소자 전체의 광기전력*5을 체계적으로 제어하고, 각 반도체 고분자 물질마다 최적의 광전류를 효과적으로 추출할 수 있다.

연구팀은 이 기술을 통해 기존 태양전지에 비해 생성된 광전하의 수명을 80%이상 늘리고, 효율은 최소 10%에서 최대 400%까지 높일 수 있음을 확인했다.

연구를 주도한 조 교수는 “이번 연구 성과는 새롭게 개발되는 모든 유기반도체에 적용 가능한 소자구조의 모델을 처음으로 제안한 것”이라며 “이 연구를 바탕으로 고효율, 저비용의 인쇄용 플렉시블 유기태양전지의 개발에 기여할 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 사업인 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’의 지원을 받아 수행됐다.