계명대 남민우 교수 연구팀, 차세대 태양전지 장기 안정화 핵심 기술 개발

계명대 전자공학과 남민우 교수.

계명대학교 전자공학과 남민우 교수 연구팀이 차세대 유기태양전지의 안정성을 개선하는 새로운 광활성층 형태 제어 전략을 개발했다.

이번 연구는 고효율·경량·유연성을 갖춘 유기태양전지 상용화의 핵심 과제인 안정성 향상에 대한 새로운 해결책을 제시했다는 점에서 주목을 받고 있다.

연구팀은 ‘A Paradigm Shift Toward Quasi-Thermodynamically Stable Bulk Heterojunction Morphology Enabled by Controlled Crystallization Kinetics of High Quadrupole Moment Nonfullerene Acceptors(고사분극 모멘트 비풀러렌 수용체의 결정화 제어를 통한 준열역학적 안정 벌크 헤테로접합 형태로의 패러다임 전환)’이라는 제목으로 연구를 진행했으며, 해당 논문은 에너지·소재 분야 상위 2.5%(JCR 기준)에 속하는 국제 학술지 Advanced Energy Materials(IF 26.0)에 게재됐다.

유기태양전지는 고온이나 장기간 구동 시 내부 구조가 변형돼 성능이 저하되는 구조적 한계가 지적돼 왔으며, 최근 높은 효율을 보이는 비풀러렌 수용체 기반 소자에서도 안정성 확보는 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있었다. 

이에 연구팀은 기존의 규격화된 혼합 방식에서 나아가 비풀러렌 수용체 비율을 높인 NM-BHJ 구조를 새롭게 도입해 소자 내부에 규칙적인 3차원 결정 네트워크가 형성되도록 설계했다.

새로운 구조는 전하 트랩과 내부 무질서 발생을 억제했고 전하 이동도를 높이는 효과를 보였다. 특히 NM-BHJ 구조를 적용한 유기태양전지는 65℃ 환경에서 30일간 초기 효율의 약 90%를 유지했고, 상온에서는 100일 이상 효율 99% 이상을 유지해 기존 동일 소재 기반 소자보다 최대 100배 향상된 열·형태 안정성을 기록했다. 

연구팀은 또 다른 비풀러렌 수용체 소재에서도 성능 향상이 반복적으로 확인되면서 이 전략이 다양한 차세대 태양전지 재료에 적용 가능한 범용 기술임을 입증했다고 설명했다.

남민우 교수는 “고효율 유기태양전지에서 가장 어려웠던 ‘효율과 안정성의 동시 확보’를 가능하게 한 기술이라는 점에서 의미가 크다”며 “결정화 제어만으로 성능과 내구성을 동시에 높일 수 있어 차세대 태양전지와 광전자소자 상용화에 속도를 더할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구사업 등의 지원을 받아 수행됐으며, 남민우 교수와 함께 성균관대학교, 중국 Soochow University 연구진이 참여했다.

/김락현기자 [e-mail]