[위즈뉴스] 국내 연구진이 광열 내구성 및 기계적 안정성이 뛰어난 유기물 기반 실내 광전지 핵심 기술을 개발했다.
고려대(총장 정진택)는 27일, 전기전자공학부 심재원 교수와 김태근 교수 연구팀이 차세대 실내용 유기 광전지 광학 효율 및 안정성을 극대화하는 핵심기술을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials, IF=19.924) 7월 25일 자에 게재됐다.
논문명은 'Elastomeric Indoor Organic Photovoltaics with Superb Photothermal Endurance'이며 심재원 교수와 김태근 교수가 공동 교신저자로, 김태혁 대학원생과 이호진 대학원생이 공동 제1저자로 참여했다.
실내용 유기물 광전소자는 사물인터넷(IoT) 기반 무선 센서 및 저전력 실내 전자 장치의 차세대 광원으로 주목받고 있다. 하지만, 유기물 광전소자는 높은 전력변환효율(PCE)의 개선에도 불구하고 다양한 실내환경에서 안정성을 보장할 수 없다는 한계가 있었다.
PCE(Power-Conversion Efficiency)는 빛에너지를 전기에너지로 변화시키는 효율로 이 현상을 일으키기 위한 빛과 전기의 중개자로 광전효과를 이용한다.
실내조명 중 높은 빛과 열을 발하는 할로겐램프의 경우, 유기물 기반 반도체층의 형태학적 변화에 따른 전기・광학적 손실로 인해 안정성이 크게 감소되며, 기계적 견고성 또한 낮은 바, ‘휘고 말고 접는’ 폼팩터(form factor)한 실내환경에 적용하기 위해서는 새로운 전략이 필요한 상황이었다.
할로겐램프는 친환경, 저전력 등 여러 장점이 있는 조명이지만 높은 온도와 빛 강도로 인해 태양전지 흡수체 설계 시 적절한 광활성층의 제어가 필요하다.
연구팀은 실내용 유기물 광전소자의 반도체층을 다성분계로 변화시킴으로써 형태학적 진화, 분자 순서 및 결합력 향상을 이끌어냈고, 이를 통해 빛과 열 그리고 기계적 안정성을 모두 극대화하는 성과를 달성하였다.
광전소자는 빛이 광활성층에 흡수되어 정공(Hole)과 전자(Electron)로 분리된 후 각각 양극과 음극으로 이동하면서 전류를 생산하는 친환경 에너지원이다.
특히, 반도체층의 성분계가 증가할수록 엔트로피 또한 증가하는 바, 이를 통해 보다 균형 잡힌 분자 배열과 뛰어난 안정성을 확보할 수 있었다.
그 결과, 할로겐램프(1000시간 동안 55℃ 이상 환경) 아래에서 초기 효율의 90% 이상을 유지하는 동시에, 기계적 변형조건(인장률 10%에서 1000회 스트레칭)에서 초기 효율의 82%를 유지하는 핵심기술을 개발하게 되었다.
[그림설명] (위) 다성분계 광활성층에 따른 실내 조명 할로겐 램프(55℃ 이상 환경)에서 1000시간 동안 섭씨 56도 환경 (아래) 1000회의 스트레칭 이후 전력변환효율 변화 결과
이번 연구는 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업, 리더연구자 지원사업, 중견연구 지원사업의 지원으로 수행되었다.
