[대학저널 임지연 기자] 아주대학교(총장 박형주) 응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과 권오필·김종현 교수가 임상혁 고려대 화학공학과 교수와 페로브스카이트(perovskite) 태양전지용 유기 전자 수송 물질 개발에 성공했다.
이번 연구 성과는 소재 분야 저명 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 매터리얼즈’(Advanced Functional Materials) 5월 16일자 표지 논문으로 선정됐다. 논문 제목은 ‘고안정성 페로브스카이트 태양전지를 위한 비-풀러렌 나프탈렌 다이이미드 기반의 단분자 전자 수송 물질(Non-Fullerene Electron Transporting Material Based on Naphthalene Diimide Small Molecule for Highly Stable Perovskite Solar Cells with Efficiency Exceeding 20%)’이다.
페로브스카이트는 최근 각광 받고 있는 태양전지 소재로 대부분 가시광 영역의 빛을 높은 효율로 흡수하고, 전하의 이동도가 우수해 학계뿐 아니라 상업적으로도 주목받고 있는 소재다. 페로브스카이트를 이용하면 용액 공정을 통해 낮은 가격으로 태양전지 제작이 가능하고, 유연하고 구부러지는 태양전지 구현도 가능하다.
그동안 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발을 위해 다양한 전자 수송 소재가 개발돼 왔지만 대부분 합성과 정제가 까다로워 단가가 비싸고, 고온에서의 구동 안정성이 낮아 어려움이 많았다. 이에 연구팀은 우수한 전자 수송 능력을 가지면서도 합성이 용이한 나프탈렌 다이이미드(전자 수송 능력이 뛰어난 유기물 반도체 소재 중의 하나)의 유도체 구조에 주목했다. 그리고 나프탈렌 다이이미드에 유연성과 견고성을 동시에 가지는 화학그룹을 도입함으로써 저온 용액 공정이 가능하고 고온에서의 구동 안정성 역시 뛰어난 새로운 유기 전자 수송 소재를 개발했다. 낮은 가격으로 태양전지 같은 대면적 플렉시블 소자를 만들 수 있게 된 것이다.
연구팀은 이렇게 개발한 신소재를 페로브스카이트 태양전지에 도입해 기존 소재보다 우수한 태양전지 광전변환 효율(20.2%)을 확인했다. 더불어 기존 태양전지의 약점으로 지적됐던 고온에서의 구동 안정성 역시 큰 폭으로 개선했다.
연구팀은 “현재 용액 공정이 가능한 태양전지는 효율과 구동 안정성이 낮고, 이때 사용되는 전자 수송 소재도 단가가 비싸 상업화의 걸림돌이 돼 왔다”며 “이번에 개발한 전자수송 소재를 사용할 경우, 20% 이상의 고효율을 내는 태양전지를 저가로 제작할 수 있다”고 설명했다. 이어 “이번에 개발한 소재 설계 기술은 용액 공정을 더욱 용이하게 할 뿐 아니라 소재의 안정성 또한 높일 수 있는 방안으로 앞으로 여러 광전자 소재에 적용될 수 있다”고 덧붙였다.
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