지스트(GIST·광주과학기술원, 총장 김영준) 신소재공학부 이광희 교수(교신저자·사진)가 주도하고 지스트 차세대에너지연구소 이병훈 박사가 제1저자로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부의 중견연구자지원사업(도약연구)과 선도연구센터사업(NCRC) 지원과 함께 광주광역시의 지원을 통해 수행됐다.
논문은 재료과학 분야의 저명한 국제학술지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials) 최신호(2월 26일자) 표지논문(Front Cover Article)으로 게재됐다.
공액고분자 전해질은 공액고분자(전기가 통하는 플라스틱)에 이온을 결합한 형태의 고분자로 유기 태양전지의 전극 표면에 흡착해 전자의 이동을 쉽게 하는 물질로 각광받아 왔다.
전자의 이동이 쉬워지면 그만큼 유기 태양전지의 성능이 개선될 수 있는데, 공액고분자 전해질의 특성과 역할에 대한 규명이 명확히 이루어지지 않아 유기 태양전지의 성능 제어에 어려움을 겪어왔다.
연구팀은 ‘이온의 종류에 따라 소자 성능이 변화한다’는 실험적 결과에 착안해, 공동 교신저자인 우한영 교수(부산대 나노융합공학과)와 공동연구를 통해 이온 농도가 다른 여러 종류의 공액고분자 전해질을 개발했다.
이온 농도가 다른 여러 종류의 공액고분자 전해질을 유기 태양전지에 적용해 성능을 분석한 결과, ‘공액고분자 전해질 속의 이온이 소자 성능을 결정짓는 핵심 역할을 하고 있으며, 이온의 농도를 조절함으로써 유기 태양전지의 성능을 제어할 수 있음’을 발견했다.
공액고분자 전해질의 이온 농도를 증가시키자 금속 전극의 일함수(Work Function: 고체의 표면에서 한 개의 전자를 고체 밖으로 빼내는데 필요한 에너지)가 일정하게 증가했으며, 유기 태양전지의 효율이 향상되었음을 발견했다. 아울러, 개발된 공액고분자 전해질이 유기 디스플레이, 유기 트랜지스터 등 다양한 유기 전자소자에도 적용이 가능함을 확인했다.
이광희 교수는 “이번 연구를 통해 공액고분자 전해질을 기반으로 하는 유기 태양전지의 구동 원리를 이해할 수 있게 되었다”며 “향후 효율이 높고 안정성을 지닌 휘어지는 유기 태양전지와 유기 전자소자의 상용화를 앞당겨 광주지역 전략산업인 태양광산업 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.
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