[진주=쿠키뉴스] 강연만 기자 = 경상국립대(GNU·총장 권순기) 그린에너지융합연구소 홍지수 박사후연구원이 최근 자연과학대학 화학과 김윤희 교수팀과 공동연구를 통해 용액 공정 가능한 유기단분자 계면층을 유기태양전지에 도입하여 광전 변환 효율(power conversion efficiency, PCE)을 향상시킬 수 있는 방안을 제시했다.
이번 연구는 경상국립대 그린에너지융합연구소에서 수행 중인 '2020년 이공분야 대학중점연구소 지원사업'의 일환으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 논문은 국제 학술지인 미국화학회의 《물리 화학 저널 C (The Journal of Physical Chemistry C)》에 표지논문으로 선정돼 지난 16일 출판됐다.
유기태양전지는 일반적으로 양극과 음극 사이에 광활성층이 존재하는 구조를 가지며, 유기반도체의 혼합으로 이루어진 광활성층에서 태양 빛을 흡수하면 유기반도체의 전자가 바닥 상태에서 들뜬 상태가 되어 전자-정공 쌍(electron-hole pair)인 엑시톤(exciton)이 생성되고, 엑시톤으로부터 전자와 정공이 분리되어 전극으로 이동하고 수집돼 전류가 흐르게 된다.
이때 광활성층의 유기반도체와 전극의 에너지 준위 사이에 에너지 장벽이 존재해 전자와 정공이 수집되는 과정에서 에너지 손실이 발생해 광전 변환 효율이 낮아지게 된다.
이를 해결하기 위하여 광활성층과 전극 사이에는 에너지 준위 차이를 줄이기 위한 계면층이 삽입되는데, 기존의 음극 계면층은 주로 진공 조건에서의 열증착(thermal evaporation)을 통해 증착되거나 복잡한 용액 공정을 통해 코팅됐다. 또한 쌍극자를 유발하기 위해 고안된 기존의 용액 공정용 계면 물질은 산성 용매를 사용해야 해 유기태양전지 소자의 안정성을 낮추는 문제가 있었다.
김윤희 교수팀에서 합성한 계면 물질은 포스핀 옥사이드(phosphine oxide) 기반의 유기단분자로, 벤조이미다졸(benzoimidazole) 작용기를 가지고 있어 유기태양전지의 광활성층과 전극 사이의 계면에서 강한 쌍극자를 유발하며 다양한 유기용매에 용해도를 가지고 있어 용액 공정 방법이나 소자의 구조에 따라 적합한 용매를 찾기에 유리하다.
이번 연구에서는 유기용매 중 환경 유해성이 낮은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)을 사용해 광활성층 표면에 계면층을 코팅했으며, 박막을 도포하기 위한 가장 간단한 코팅 방법 중 하나인 스핀 코팅 방법을 이용했다.
수 나노미터 두께로 코팅된 유기단분자 계면물질은 포스핀 옥사이드 작용기가 강한 쌍극자를 유발하고, 벤조이미다졸 작용기가 음극에 사용되는 금속과 결합하여 음극의 일함수(work function)을 낮춤으로써 광활성층과 음극의 에너지 장벽을 없애 효율적인 전자의 수집을 유도했다.
이에 따라 태양전지의 성능을 평가하는 지표인 단락 전류(short-circuit current, Jsc)와 채움지수(fill factor, FF)가 증가했으며, 음극의 일함수 감소로 인한 양극과 음극의 일함수 차이 증가로 개방 전압(open-circuit voltage, Voc) 또한 증가해 유기태양전지의 광전 변환 효율이 증가했다.
홍지수 박사는 "환경 유해성이 낮은 용매와 간단한 용액 공정을 이용해 유기단분자 계면층을 도입한 유기태양전지의 광전 변환 효율 향상은 포스핀 옥사이드 작용기와 벤조이미다졸 작용기를 갖는 유기단분자가 음극 계면 물질로서 용액공정 기반의 유연한 유기태양전지 소자 제작에 이용될 수 있다는 가능성을 보여준다"라고 말했다.
