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광활성층 모폴로지 제어를 통한 저조도 환경에서의 고성능 유기태양전지 개발

  • POSTED DATE : 2022-06-03
  • WRITER : 화학과
  • HIT : 300
  • Research Areas : Inorganic Chemistry
  • Researcher : 고두현, 이치형 연구원, 이정현 연구원


광활성층 모폴로지 제어를 통한 저조도 환경에서의 고성능 유기태양전지 개발

저조도 조건에서 30%를 초과하는 전력 변환 효율을 달성하는 실내 유기 태양전지 시연
광활성층 내 양전하/음전하 수송 경로인 공여체와 수용체의 위상 분리 제어를 통해 전하 손실 극복
사물 인터넷 (Internet of Thing) 및 다양한 실내 어플리케이션에 확대 적용 기대



4월 22일 세계적 학술지인 ‘Advanced Energy Materials (IF=29.368)’에 화학과 고두현 교수 연구팀이 저술한 ‘Over 30% efficient indoor organic photovoltaics enabled by morphological modification using two compatible non-fullerene acceptors’ 이 연구 우수성을 인정받아 온라인 게재되었다.


고두현 교수 연구팀은 저조도 실내 조명 조건에서 효율적으로 빛 에너지를 수확할 수 있는 유기 광 활성층 (photoactive layer)를 디자인하여, 30%를 초과하는 전력 변환 효율 (power conversion efficiency)을 달성하는 실내 유기 태양전지를 시연하였다. 이러한 고성능 유기 태양전지에 대한 연구 결과는 상시 전력공급이 필요한 실내 사물 인터넷 (Internet of Thing) 및 스마트 팜 분야에 활용될 것으로 기대되고 있다.


태양광 발전 효율은 전지의 광 활성층 내부에서 생성된 전하 수송체 (charge carrier)를 손실 없이 효과적으로 전극으로 추출하는 과정에 의해 결정된다. 특히, 태양광보다 10-100배 낮은 세기를 지닌 실내 광 조건에서의 유기태양전지는 낮은 전하 수송체 생성량으로 인해 전하 수송체의 손실이 광 전력 변환 효율 저하에 기여하게 된다.


본 연구에서는, 고분자 전자 공여체 (polymer donor)와 비슷한 용해도를 가진 두 개의 논-풀러렌 전자 수용체 (non-fullerene acceptor) 물질들의 혼합을 통해 벌크 이종접합 (bulk heterojunction) 광 활성층을 제작하였다. 본 광 활성층은 높은 파라 결정성 (para-crystallinity)를 특징으로 하는 공여체와 수용체들 간 나노 스케일의 위상 분리를 보인다. 분리된 공여체와 수용체 위상들을 통해 각각의 양전하 (hole) 와 음전하 수송체 (electron)는 재결합으로 인한 손실 없이 전극으로 이동할 수 있다. 이러한 광 활성층의 모폴로지 제어를 통해, 고두현 교수 연구팀은 저조도 실내 조명 조건에서 30% 이상의 전력 변환 효율을 달성할 수 있었다.


참여 연구진: 이치형 (공동 1저자, 성균관대 박사과정), 이정현 (공동 1저자, 성균관대 석사과정), 이현휘 (2저자, 포항 가속기 연구소 연구원), 남민우 (교신저자, 상지대 조교수), 고두현 (교신저자, 성균관대 부교수)