POSTECH 조길원 교수팀
非풀러렌계 유기반도체 신소재 개발
값싼 유기염료를 이용 식물이 광합성을 하듯 태양에서 전기를 만들어내며 종이처럼 가볍고 구부릴 수 있는 차세대 에너지 소자 ‘유기태양전지’는 상용화하기엔 아직 갈 길이 멀다.
특히 공을 닮은 물질 ‘풀러렌’을 이용한 태양전지는 단가도 높을 뿐 아니라, 공기노출에 쉽게 변질되는 등 이상적인 태양전지 제작을 위해서는 단점이 많았다.
재료분야 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 최신호 표지논문으로 발표된 이 성과는 특히 이 분자가 가진 3차원 입체구조가 빛흡수율이나 전하 이동도를 높여 유기태양전지의 성능을 향상시키고 특히 인쇄공정에 최적화되어 있어 대량생산 가능성도 높여 학계의 주목을 받았다.
풀러렌은 전도성이 높아 지금까지는 풀러렌을 이용한 유기태양전지가 널리 이용되어 왔지만, 공 모양의 입체구조를 가진 풀러렌은 생산단가가 높을 뿐 아니라 산화안정성이 떨어지는 등 상용화에는 걸림돌이 되는 단점을 많이 가지고 있었다.
연구팀은 풀러렌에 비해 값이 싼 페릴렌다이이미드(Perylenediimide)를 활용한 3차원 분자구조체 제작에 성공, 이를 이용해 유기태양전지에 들어가는 반도체를 만들었다. 이 구조체는 풀러렌에 비해 생산비용이 훨씬 저렴하고, 산화안정성도 훨씬 높은 것으로 확인됐다.
또한 이 유기반도체의 3차원 입체구조가 전하이동도를 크게 향상시키고, 기존 풀러렌 유도체에 비해 자외선영역에서의 빛흡수도 높여 광전류가 증가한다는 것을 발견하였다. 더욱이 이 단분자는 용매에도 잘 녹아 큰 면적의 유기태양전지를 제조할 때 쓰이는 인쇄공정에도 적합할 것으로 기대된다.
연구를 주도한 조길원 교수는 “이번 연구성과는 우수한 태양전지로 응용할 수 있는 새로운 유기반도체 단분자의 분자설계 기준을 제시한 것”이라며 “이 단분자는 인쇄공정이 가능해 고효율, 저비용 유기태양전지 상용화에 기여할 것으로 전망된다”고 밝혔다.
한편 이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어 소프트일렉트로닉스연구단의 지원으로 수행됐다.