화학과 김태연·고두현 교수팀, 차세대 유기태양전지 '고효율 설계전략' 제시

1,000조 분의 1초 찰나를 포착하는 특수 분석 기술로 빛에서 전기가 만들어지는 핵심 과정 종합 분석
가볍고 유연한 유기태양전지의 상용화를 앞당길 소재 설계 가이드라인 제시

화학과 김태연, 고두현 교수 공동 연구팀이 유연하고 투명해 차세대 친환경 에너지로 주목받는 '유기태양전지' 내부에서 전기가 만들어지는 찰나의 과정을 종합적으로 분석하고, 더 효율적인 태양전지를 만드는 설계 지침을 발표했다.

우리가 흔히 아는 지붕 위의 실리콘 태양전지는 무겁고 딱딱하다. 반면, 유기태양전지는 플라스틱 필름처럼 가볍고 얇은 데다 마음대로 휘어지게 만들 수 있어 창문이나 옷에 붙일 수 있는 미래형 에너지원으로 불린다. 최근 빛을 전기로 바꾸는 효율을 크게 높인 새로운 신소재(비풀러렌 수용체)가 등장해 과학계의 큰 화제를 모았지만, 태양빛을 받는 그 아주 짧은 순간에 소재 안에서 정확히 어떤 원리로 전기가 생겨나는지는 미스터리로 남아 있었다.

이 비밀을 풀기 위해 연구팀은 1,000조 분의 1초라는 어마어마하게 짧은 시간인 '펨토초' 단위로 물질의 변화를 관찰하는 '초고속 분광학' 기술들을 한데 모아 체계적으로 분석했다. 초고속 분광학은 마치 엄청나게 빠른 특수 카메라로 찰나의 순간을 연속 촬영해 눈에 보이지 않는 미세한 입자의 움직임을 확인하는 것과 같다. 연구팀은 다양한 관찰 기법들의 장단점을 꼼꼼히 비교하고, 전 세계 과학자들이 서로 다르게 부르던 어려운 전문 용어들을 하나로 통일된 기준으로 정리했다. 또한, 기존 연구들에서 실험 결과가 서로 엇갈렸던 이유가 실험실의 빛 파장이나 필름 제작 환경 등의 차이 때문이라는 사실도 명확히 밝혀냈다.

나아가 연구팀은 분자 구조와 나노스케일 배열이 전하 생성과 손실 과정에 미치는 영향을 기존 연구 결과를 토대로 체계적으로 정리하고, 이를 바탕으로 ‘고효율 유기태양전지 소재 설계 가이드라인’을 제시했다.

김태연·고두현 교수는 "이번 논문에서는 눈 깜짝할 새 일어나는 복잡하고 어려운 현상을 명확한 기준으로 정리해, 앞으로 더 성능이 좋은 유기태양전지를 개발하는 데 중요한 길잡이가 될 것"이라며, "가볍고 유연한 유기태양전지의 특성을 활용해 웨어러블 전원이나 건물일체형 태양전지 등 다양한 분야로의 응용이 확대되기를 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 나노과학 및 재료 분야의 세계적 권위지인 'ACS Nano'에 게재되었다.

※ 논문명: Carrier Dynamics in Nonfullerene Acceptor Organic Photovoltaics through Ultrafast Spectroscopy

※ 학술지: ACS Nano

※ 논문링크: https://doi.org/10.1021/acsnano.6c09064