자기조립 물질(M-BT) 도입에 따른 효율 및 안정성 변화.

 

[대학저널 온종림 기자] 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 이광희 교수와 에너지융합대학원 김희주 교수 공동 연구팀이 유기 태양전지가 고온에서 성능이 감소하는 문제를 간단한 방법으로 해결하고, 수명을 기존의 약 50배인 1,000시간 이상 획기적으로 늘리는 데 성공했다.

연구팀은 스스로 얇은 보호층을 형성하는 단분자를 활용해 추가적인 코팅 공정 없이 유기 태양전지의 긴 수명을 확보했다고 밝혔다.

유기 태양전지에 전자수송 층으로 널리 사용되는 산화아연은 그 표면에 화학적으로 반응성이 있는 성분들이 존재함에도 불구하고, 고온 환경에서 산화아연과 광활성 층의 계면에서 일어날 수 있는 열화에 관한 연구는 지금까지 거의 이뤄지지 않았다.

연구팀은 오비트랩/비행시간차 혼성 이차이온 질량분석기(Orbitrap/TOF Hybrid SIMS)*를 통해 단분자 유기물 반도체가 산화아연 표면에 존재하는 불순물과 반응할 때 손상되는 현상과 단분자 유기물의 유동성이 커질수록 그 손상이 더 많이 발생하는 현상을 확인했다.

또한, 연구팀은 극성과 휘발성을 가지는 단분자 유기물인 5-Methyl-1H-benzotriazole(이하 M-BT)을 광활성 층 용액에 혼합해 광활성 층 코팅 시 산화아연 표면에 단분자 유기물이 자기조립(self-assembly) 되어 표면 불순물 제거 및 보호층을 형성하도록 했다.

서로 다른 유동성을 가지는 세 종류의 단분자 유기물 반도체(Y6, L8BO, DTY6) 중 유동성이 큰 단분자(DTY6)를 사용한 유기 태양전지일수록 수명이 향상된 정도가 가장 컸으며(1,000시간 후 68% 향상), 태양전지의 초기 효율의 15%가 감소하기까지 걸리는 시간이 기존 20시간(M-BT 미포함)에서 1,000시간 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” 면서 “이는 대면적화를 위한 프린팅 공정에도 적용할 수 있어 유기 태양전지의 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대한다” 고 말했다.


이번 연구 성과는 Material Science 분야 상위 약 4% 저널인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF: 23.991)’에 2023년 8월 31일 온라인 게재됐다.

 

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