독성이 낮은 비할로겐 용매로 제작된 200cm²의 대면적 유기 태양전지에서 11.44%의 광전 변환 효율(PCE)를 달성했습니다. 유기 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 다가서는 중요한 전환점이 될 것이라는데요.

UNIST 화학과 김봉수 교수와 GIST 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원, 신소재공학부 이광희 교수 공동연구팀이 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장함으로써 광활성층 필름의 균일도를 획기적으로 개선하였으며, 이에 따라 고효율의 대면적 유기 태양전지를 구현하는 데 성공했습니다.

기존 대면적 유기 태양전지는 클로로벤젠 같은 독성이 강한 할로겐 용매를 사용해 상용화에 큰 어려움을 겪었습니다. 하지만 상대적으로 독성이 낮은 비할로겐 용매를 사용할 경우, 광활성층 내의 비풀러렌 억셉터의 ‘뭉침 현상’으로 인해 필름의 균일도가 낮아져 대면적 유기 태양전지의 효율이 감소하는 문제가 있었죠.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 방법을 사용했습니다. 비할로겐 용매에서 비풀러렌 억셉터의 용해도가 향상됨에 따라 뭉침 현상이 효과적으로 감소되어 200cm²의 큰 면적에서도 균일한 광활성층 필름을 형성할 수 있었습니다. 특히, PM6:L8-BO(HU-DT):PC₇₀BM 기반의 200cm² 유기 태양전지의 광활성층에서 가장 적은 뭉침 현상과 소재 간의 높은 혼화성을 보여주어 최고 효율 11.44%를 기록했습니다. 또한 공정에 사용된 슬롯-다이 코팅(Slot-die coating) 방법은 roll-to-roll 공정을 통한 대량 생산에 적합하여 차세대 유기 태양전지의 상용화 가능성을 한층 더 높였습니다.

김봉수 교수는 "비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장해 광활성층 내 뭉침 현상을 억제하는 데 성공했다"며 "유기 태양전지 상용화를 위한 소재 개발에 중요한 기여를 할 것"이라고 밝혔습니다.

연구 결과는 지난 7월 18일 국제 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 온라인판에 실렸습니다.

논문명: Asymmetrical Elongation of Branched Alkyl Chains in Non-Fullerene Acceptors for Large-Area Organic Solar Modules

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