늘어나도 작동하는 고효율 태양전지
늘어나도 작동하는 고효율 태양전지
  • 이웃집편집장
  • 승인 2022.12.15 23:50
  • 조회수 1528
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국내 연구진이 신축성 및 전기적 성질이 모두 우수한 고분자를 개발하고, 이를 이용해 다양한 웨어러블 전자기기에 활용 가능한‘고효율 스트레쳐블 유기 태양전지’구현에 성공했습니다. 

 

한국연구재단은 김범준 교수(한국과학기술원)와 김윤희 교수(경상국립대학교) 공동 연구팀이 고성능 신규 고분자 전자 받개 소재를 개발하고, 이를 이용해 여러 방향으로 자유롭게 늘어나는 고효율 스트레쳐블 유기 태양전지를 제작했다고 밝혔는데요. 전자 받개란 분자 사이에서 전자의 주고받기가 이루어지는 경우 상대부터 전자를 받기 쉬운 분자입니다.

 

웨어러블 전자소자의 전원공급장치는 휴대용 태양전지 사용이 필요합니다. 이때 사용되는 태양전지는 높은 광전변환 효율과 함께 다양한 신체 움직임으로 야기되는 잡아당김과 늘어남 같은 인장에도 성능을 유지할 수 있는 내구성도 필요하죠. 하지만 유기 태양전지를 구성하는 기존의 광활성 고분자물질은 높은 광전효율을 위해 다중 접합 고리(fused ring) 형태의 주쇄*를 채용했고, 그 결과 딱딱하고 경직된 분자 구조가 유기 태양전지 광활성층의 신축성을 낮춰 인장에 대한 기계적 내구성이 크게 저하되었습니다.

* 주쇄(주사슬, main chain) : 고분자의 골격을 이루는 줄기 분자쇄  

 

고분자 태양전지는 가볍고 휘어질 수 있기 때문에 차세대 웨어러블 전자 기기를 위한 전력 공급원으로서 오랜 기간 주목 받아왔습니다. 그러나, 그 구현은 이루어지지 않았었는데요. 그 이유는, 웨어러블 소자 제작을 위해서는 인체의 다양한 움직임에도 안정할 수 있도록 일반적으로 휘어질 때 필요한 기계적 내구성에 비해 10배이상 높은 기계적 내구성 (신장률 30% 이상)이 필요해서입니다. 그러나, 이를 만족하는 고성능/고내구성 태양전지는 보고된 적이 없습니다.

 

연구팀은 고분자 물질 내에서 기계적 스프링 역할을 하는 ‘유연 링커’를 도입하여 스프링처럼 높은 기계적 특성을 가지는 신규 고분자 전자 받개 물질 ‘PYFS-RRg’을 개발했습니다. 더불어 ‘PYFS-RRg’를 통해 최고 수준의 광전변환효율 및 잡아당겨도 높은 신축성을 띄는 고분자 유기태양전지를 개발에도 성공 할 수 있었습니다. 또한 실제로 늘어나도 작동하는 고성능·고신축성 고분자 태양전지를 구현, 웨어러블하게 구동했습니다. 

신규 개발된 유연 링커가 도입된 고분자 전자 받개 및 해당 소재가 사용된 완전 신축형 유기 태양전지의 성능기계적 스프링 역할을 하는 “유연 링커”가 도입하여 스프링처럼 매우 높은 기계적 특성을 가지는 신규 고분자 물질을 개발하였고, 이를 통해 최고수준의 광전변환효율 (16.1%) 및 잡아당겨도 높은 성능을 띄는 (37% 신축성) 스트레쳐블 태양전지를 개발하였다.그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술원 김범준 교수
신규 개발된 유연 링커가 도입된 고분자 전자 받개 및 해당 소재가 사용된 완전 신축형 유기 태양전지의 성능기계적 스프링 역할을 하는 “유연 링커”가 도입하여 스프링처럼 매우 높은 기계적 특성을 가지는 신규 고분자 물질을 개발하였고, 이를 통해 최고수준의 광전변환효율 (16.1%) 및 잡아당겨도 높은 성능을 띄는 (37% 신축성) 스트레쳐블 태양전지를 개발하였다.그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술원 김범준 교수

이런 성과는 기존에 구현하기 어려웠던, 높은 기계적/전기적 특성을 동시에 가지는 고분자 구조개발에 대한 새로운 개념을 제시했다는 의의가 있습니다. 차세대 웨어러블 전자 기기에 필수적인 전력 공급원인 고성능 스트레쳐블 태양전지를 처음으로 구현했다는 것에 큰 의의가 있는데요. 이를 통해 다양한 웨어러블 전자 기기에 대한 전력 공급원으로서 고분자 태양전지의 실질적인 적용 가능성을 제시했다는 평가입니다.

 

연구의 결과는 국제학술지 에너지 환경 과학(Energy & Environmental Science)에 게재됐습니다.

논문명 : Sequentially-Regular Polymer Acceptors Featuring Flexible Spacers for High-Performance and Mechanically-Robust All-Polymer Solar Cells


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