울산과학기술원(UNIST)은 화학과 김봉수 교수팀이 한국과학기술연구원(KIST) 차세대 태양전지 연구센터 손해정 박사팀과 고효율 대면적 유기 태양전지 소재를 개발했다고 17일 밝혔다. UNIST에 따르면 연구팀은 n형 반도체(전자의 수가 양공의 수보다 많은 반도체)와 p형 반도체(양공의 수가 전자의 수보다 많은 반도체)가 섞이는 혼화성을 조절해 기존 대면적 유기 태양전지 효율 저하의 원인인 유기 소재 뭉침 현상을 제어했다.
유기 태양전지는 현재 상용화된 실리콘 태양전지보다 가볍고 유연하며, 반투명하게 제작할 수 있어 차세대 전지로 주목받고 있다.
그러나 소자 제작 과정에서 발생하는 유기 소재 뭉침 현상으로 높은 효율을 내기가 어려웠다. 연구팀은 전자를 받아들이는 전자수용체 말단에 위치한 원자를 도입해 '비대칭 n형 반도체'를 개발했다.
반도체의 고분자화합물을 이루는 두 종류의 단량체를 결합해 새로운 'p형 공중합체(co-polymer) 반도체'도 개발했다.
연구팀은 새롭게 개발한 반도체들의 혼화성을 조절해 대면적 유기 태양전지 소자 제작 과정에서 유기 소재 뭉침 현상을 제어하는 데 성공했다. 또 박막 거칠기를 수 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 단위에서 제어할 수 있는 균일한 광활성층 필름을 만들었다.
연구팀이 제작한 대면적 유기 태양전지는 58.5㎠의 면적에서도 11.28%의 높은 전력 변환 효율을 기록했다.
지금까지 발표된 비슷한 크기의 유기 태양전지 평균 전력 변환 효율은 6.69%다. 김봉수 교수는 "이번 연구는 n형 반도체와 p형 반도체 간 혼화성 조절이 대면적 유기 태양전지 성능을 향상할 수 있다는 새로운 방향을 제시했다"고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 7월 14일 온라인으로 게재됐다.