입력 2025.12.30 10:18
- 초강력 ‘화학적 잠금’ 계면 기술개발로 차세대 고효율 탠덤 유기태양전지 효율ᆞ안정성 두마리 토끼 잡아… 상용화 기대감
❍ 차세대 친환경 에너지원으로 주목받는 탠덤 유기태양전지의 성능과 수명을 동시에 높일 수 있는 핵심 기술을 국내 연구진이 개발했다.
❍ 인천대학교(총장 이인재)는 물리학과 이진호 교수 연구팀의 연구 성과가 에너지 소재 분야 세계적 권위 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF 26%, JCR 상위 2.5%)에 12월 14일 자 온라인판에 발표되었음을 밝혔다 (논문명: Chemically Passivated Polymeric Charge Recombination Layer for Efficient Tandem Organic Solar Cells).
❍ 유기태양전지는 가볍고 유연하며 투명하게 구현할 수 있어 건물일체형발전 (BIPV)이나 웨어러블 기기 등 다양한 분야에 적용가능한 꿈의 에너지원이다. 특히 동일한 파장대의 빛을 흡수하는 두 개의 태양전지를 수직으로 적층한 동종 탠덤 유기태양전지 (Homo Tandem Organic Solar Cell)는 단일 구조 대비 높은 효율을 얻을 수 있어 상용화를 위한 핵심 기술로 꼽힌다.
❍ 하지만 탠덤 구조에서 상부 셀과 하부 셀을 전기적으로 연결하는 전하 재결합층 (Charge Recombination Layer)을 안정적으로 구현하는 것은 큰 공정상의 난제가 있었다. 기존에는 계면 쌍극자를 형성하여 페르미 준위를 조절하는 PEI (polyethyleneimine)를 활용해 왔으나, 이 물질이 유기 태양전지 핵심 소재인 Y6 (BTP-4F)와 화학적으로 공격하여 소자의 성능을 급격히 저하시키는 치명적인 단점이 보고되었다.
❍ 이진호 교수 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전도성 고분자 PEDOT:PSS와 PEI를 조합해 전하 재결합층에 적용했다.
❍ 연구팀은 PEDOT:PSS에서 유래한 양성자 (H+)가 PEI를 즉각적으로 양성자화 (in-situ protonation)시켜 Y6에 대한 PEI의 반응성을 약화시키는 현상을 규명했다. 즉, PEDOT:PSS가 일종의 화학적 패시베이션 (Passivation) 역할을 수행해 Y6 소재를 보호하면서도, 전하 재결합층이 요구하는 전기적 기능을 안정적으로 구현하도록 설계한 것이다.
❍ 이 기술을 적용한 유기 탠덤 태양전지는 18% 이상의 높은 효율을 기록했으며, 실제 태양광 조건하에서도 장시간 안정적으로 구동됨을 확인했다.
❍ 연구를 주도한 인천대 이진호 교수는 “이번 연구는 소자 효율 향상을 넘어, 그동안 명확히 규명되지 않았던 고분자 전해질과 유기 반도체 사이의 복잡한 화학적 상호작용을 근본적으로 이해하고 이를 제어했다는 점에 의의가 있다”며, 이 기술은 “향후 유기태양전지의 상용화를 앞당기고, 차세대 광전 소자 안정성 확보에 핵심적으로 기여할 것”이라고 밝혔다.
❍ 한편, 이번 연구는 인천대학교 지능형반도체공학과 김경식 (제1저자) 연구원을 중심으로 물리학과 손기찬ᆞ·신재호 연구원과 김정우·ᆞ최수봉·ᆞ문병희·ᆞ김준호 교수, 한국화학연구원 채은총·ᆞ홍순일 박사, 글로벌 소재 기업 다우 (Dow Inc.) 경민규 박사와의 산학연 협력으로 수행됐다.