GIST 이은지 교수 연구팀, 유기태양전지 안정성 기술 개발

전지 안정성 향상 고분자 나노전선-광활성층의 삼차원 구조 규명 성공

재료분야 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 논문 게재

이은지 교수

진선미 박사과정생-제1저자

GIST(지스트, 총장 문승현) 신소재공학부 이은지 교수 연구팀이 유기태양전지 내 광활성층에 전도성 고분자 나노전선 제조 기술을 도입하여 태양광 조사 시 전지의 안정성을 확보할 수 있는 기술을 개발하였다. 또한 광활성층의 형태학적 구조 안정성에 기인함을 투과전자현미경 토모그래피 나노기술을 이용하여 규명하였다.
투과전자현미경 토모그래피는 투과전자현미경을 이용하여 여러 각도로 획득한 일련의 이미지들을 재건축하여 삼차원 형태학적 정보를 추출해내는 기법으로, 삼차원 투과전자현미경으로도 일컫는다.

전도성 고분자 물질을 기반으로 한 유기태양전지는 기존의 무기물 기반 태양전지에 비해 제작 단가가 저렴하고, 가볍고 유연한 장점을 가지고 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 고효율 유기태양전지의 개발에도 불구하고 실제 태양광 아래에서 사용 시 초기 효율이 급격하게 저하되는 문제점이 있어 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.

무기물에 대비하여 유기물이 가지는 본질적인 준안정 상태 및 열화 현상은 유기태양전지 개발에 있어 고려해야할 중요한 문제이다. 특히, 빛이나 산소 투과에 의한 광활성층의 물리·화학적인 열화는 전자 주개와 전자 받개 물질의 거대응집을 초래하여 두 물질의 접합계면을 감소시키고, 이는 정공이나 전자 이동을 방해시켜 결과적으로 유기태양전지의 효율 저하를 일으킨다.

하지만 이러한 광활성층의 형태학적 구조 변화는 적절한 분석도구의 부재로 직접적으로 밝혀진 바가 없었다.

연구팀은 용액상에서 폴리헥실싸이오펜(poly(3-hexylthiophene)) 전도성 고분자의 결정화를 유도하여 약 10 nm 두께를 가지는 나노전선을 제조하였고, 플러렌 유도체와 혼합하여 이종 접합 구조를 갖는 광활성층 박막을 제조하였다. 이를 통해 열이나 용매를 이용한 후처리 공정없이도 광전변환효율을 극대화할 수 있도록 엑시톤 확산거리(exciton diffusion length)를 만족시키는 전자 주개와 받개의 상분리를 유도하였고, 광조사에 따른 형태학적 구조 및 효율변화는 일반적인 블랜드 광활성층 박막과 비교하여 확인하였다.
폴리헥실싸이오펜은 104 cm-1의 흡광계수를 가지는 대표적인 유기태양전지 물질. 플러렌과 벌크헤테로 접합 박막 제조시, 폴리헥실싸이오펜은 전자 주개, 플러렌은 전자 받개 역할을 한다.

일반적인 블랜드 광활성층의 경우 40시간 동안 광조사 후 각 물질의 거대 상분리가 관찰되었고, 초기 효율 대비 40% 이상의 성능 저하를 보였다. 이에 반해 나노전선 기반의 광활성층은 나노전선 내부의 고분자 간 강한 파이 결합으로 인해 산소나 물에 의한 침투가 억제되어, 광조사 후에도 각 전극으로의 효과적인 여과경로(percolation pathway)를 보이는 초기의 삼차원적인 형태학적 구조를 잘 유지하여 초기 효율 대비 15%의 성능저하만을 보였다. 이러한 유기태양전지 광활성층의 형태학적 구조와 효율 저하의 상관관계는 삼차원 전자토모그래피 및 전산모사 분석법을 통해 정량적으로 규명하였다.

이은지 교수는 “이번 연구는 고분자 자기조립 나노기술을 유기태양전지 광활성층에 도입하여 소자 안정성을 확보하였을 뿐 아니라 효율저하를 야기하는 광활성층의 열화 메카니즘을 규명할 수 있는 분석 플랫폼을 구축하였다는 점에서 큰 의의가 있으며, 이를 토대로 기존에 개발된 고효율 유기태양전지의 장기안정성을 재평가하고 문제점을 개선하여 상용화에 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이은지 교수(교신저자)가 주도하고, 진선미 박사과정생(제1저자)이 참여한 이번 연구는 한국연구재단 재원으로 기초연구사업(중견연구), 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구성과는 재료분야 저명 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 2019년 1월 30일 게재되었다.