경상국립대학교 연구팀, 《케미컬엔지니어링저널》에 논문 발표

경상국립대학교 연구진이 유기태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 고분자 소재를 개발하고, 이 소재가 전하 이동을 개선하는 작동 원리를 규명했다.

경상국립대학교 공과대학 나노신소재공학부 김기환 교수와 자연과학대학 화학과 김윤희 교수 연구팀은 고분자 기반 ‘게스트 도너’ 물질 디티비디티 에스이에이치씨 에잇(DTBDT-SEH-C8)을 새롭게 설계하고 이를 유기태양전지에 적용해 소자 효율을 향상시키는 데 성공했다고 밝혔다.

연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 《케미컬엔지니어링저널(Chemical Engineering Journal)》에 게재됐다.

연구의 제1저자는 김하린 연구원과 홍진웅 연구원이고, 램프사업단 소속 박사후연구원인 초혜원 박사(분자제어연구소), 김윤희 교수(화학과), 김기환 교수(신소재공학부 고분자공학전공) 가 교신저자로 참여했다.

유기태양전지는 가볍고 유연하며 대면적 제작이 가능해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

특히 최근에는 두 가지 이상의 물질을 혼합하는 삼원계(ternary) 구조를 통해 효율을 높이려는 연구가 활발하다.

하지만 대부분의 연구는 전자 수용체 물질에 집중돼 있었고, 도너 소재를 보조 성분으로 활용하는 전략은 상대적으로 연구가 부족한 상황이었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기존 고분자 도너인 피엠식스(PM6)와 구조적으로 유사하지만 확장된 공액 구조를 갖는 새로운 고분자 물질 ‘DTBDT-SEH-C8’을 설계했다.

이 물질을 소량 첨가하면 에너지 준위가 계단식으로 정렬돼 전하 이동이 더욱 효율적으로 일어날 수 있도록 설계됐다.

실험 결과, PM6:Y6 기반 유기태양전지에 약 1%의 DTBDT-SEH-C8을 첨가했을 때 전하 분리와 수집 효율이 동시에 향상되는 것으로 나타났다.

연구팀은 다양한 분석을 통해 이 고분자 물질이 도너와 억셉터 사이에 위치해 전하 이동 경로를 연결하는 역할을 한다는 사실을 확인했다.

특히 나노 스케일 전류 분포를 측정하는 씨 에이에프엠(C-AFM) 분석에서는 첨가된 DTBDT-SEH-C8이 도너와 억셉터 사이에 ‘인터스티셜 연결(interstitial connection)’을 형성해 전하 이동 경로를 개선하는 것으로 확인됐다.

이번 연구는 단순히 새로운 소재를 개발하는 데 그치지 않고, 게스트 도너가 삼원계 유기태양전지에서 어떻게 전하 이동을 개선하는지에 대한 물리적 메커니즘을 규명했다는 점에서 의미가 있다.

연구팀은 “구조적으로 호환되는 고분자 게스트 도너를 소량 도입하면 전하 이동 경로를 효과적으로 연결할 수 있다”며 “이번 연구는 삼원계 유기태양전지에서 새로운 소재 설계 전략을 제시한 것”이라고 설명했다.

김기환 교수는 “이번 연구를 통하여 삼원계 고분자의 안정성과 성능을 획기적인 증가로 차세대 태양전지인 유기 태양전지의 성능을 대폭 개선했다.”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 GNU 램프사업단, 개인 기본 연구 사업, 2025년 GNU 글로컬 사업단 연구, BK21 GNU지능형첨단소재개척인재양성사업단 지원으로 수행됐다.

연구성과는 에너지·소재 분야 국제학술지 《케미컬엔지니어링저널(Chemical Engineering Journal)》(IF 13.2, JCR 3%)에 3월 12일 온라인 게재됐다.