인천대 물리학과 이진호 연구팀, 초강력 ‘화학적 잠금’ 계면 기술개발

차세대 고효율 탠덤 유기태양전지
효율안정성 두마리 토끼 잡아…상용화 기대

왼쪽부터) 신재호(인천대학교 물리학과 학부생), 이진호(인천대학교 물리학과 부교수), 김경식(인천대학교 지능형반도체공학과 석사과정)/제공=인천대

차세대 친환경 에너지원으로 주목받는 탠덤 유기태양전지의 성능과 수명을 동시에 높일 수 있는 핵심 기술(논문명: Chemically Passivated Polymeric Charge Recombination Layer for Efficient Tandem Organic Solar Cells)을 국내 연구진이 개발했다.

인천대학교는 물리학과 이진호 교수 연구팀의 연구 성과가 에너지 소재 분야 세계적 권위 국제학술지 'Advanced Energy Materials'(IF 26%, JCR 상위 2.5%)에 12월 14일자 온라인판에 발표됐다고 30일 밝혔다

유기태양전지는 가볍고 유연하며 투명하게 구현할 수 있어 건물일체형발전(BIPV)이나 웨어러블 기기 등 다양한 분야에 적용 가능한 꿈의 에너지원이다. 특히 동일한 파장대의 빛을 흡수하는 두 개의 태양전지를 수직으로 적층한 동종 탠덤 유기태양전지(Homo Tandem Organic Solar Cell)는 단일 구조 대비 높은 효율을 얻을 수 있어 상용화를 위한 핵심 기술로 꼽힌다.

하지만 탠덤 구조에서 상부 셀과 하부 셀을 전기적으로 연결하는 전하 재결합층(Charge Recombination Layer)을 안정적으로 구현하는 것은 큰 공정상의 난제가 있었다. 기존에는 계면 쌍극자를 형성하여 페르미 준위를 조절하는 PEI(polyethyleneimine)를 활용해 왔으나, 이 물질이 유기 태양전지 핵심 소재인 Y6(BTP-4F)와 화학적으로 공격하여 소자의 성능을 급격히 저하시키는 치명적인 단점이 보고되었다.

이진호 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전도성 고분자 PEDOT:PSS와 PEI를 조합해 전하 재결합층에 적용했다. 연구팀은 PEDOT:PSS에서 유래한 양성자(H+)가 PEI를 즉각적으로 양성자화(in-situ protonation)시켜 Y6에 대한 PEI의 반응성을 약화시키는 현상을 규명했다. 즉, PEDOT:PSS가 일종의 화학적 패시베이션(Passivation) 역할을 수행해 Y6 소재를 보호하면서도, 전하 재결합층이 요구하는 전기적 기능을 안정적으로 구현하도록 설계했다.

연구팀에 따르면 이 기술을 적용한 유기 탠덤 태양전지는 18% 이상의 높은 효율을 기록했으며, 실제 태양광 조건하에서도 장시간 안정적으로 구동됨을 확인했다.

인천대 이진호 교수는 "이번 연구는 소자 효율 향상을 넘어, 그동안 명확히 규명되지 않았던 고분자 전해질과 유기 반도체 사이의 복잡한 화학적 상호작용을 근본적으로 이해하고 이를 제어했다는 점에 의의가 있다"며 "이 기술은 향후 유기태양전지의 상용화를 앞당기고, 차세대 광전 소자 안정성 확보에 핵심적으로 기여할 것"이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 인천대학교 지능형반도체공학과 김경식 (제1저자) 연구원을 중심으로 물리학과 손기찬·신재호 연구원과 김정우·최수봉·문병희·김준호 교수, 한국화학연구원 채은총·홍순일 박사, 글로벌 소재 기업 다우 (Dow Inc.) 경민규 박사와의 산학연 협력으로 수행됐다. 인천=주관철 기자 orca2424002@