차세대 친환경 에너지원으로 주목받는 탠덤 유기태양전지의 효율과 수명을 동시에 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심 기술을 인천대학교 연구진이 개발했다.

인천대학교는 물리학과 이진호 교수 연구팀의 연구 성과가 에너지 소재 분야 세계적 권위의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 온라인판에 지난 14일 게재됐다고 밝혔다.

유기태양전지는 가볍고 유연하며 투명한 구현이 가능해 건물일체형 태양광발전(BIPV)과 웨어러블 기기 등 차세대 에너지 분야의 핵심 기술로 꼽힌다.

특히 동일한 파장대의 빛을 흡수하는 두 개의 태양전지를 수직으로 적층한 ‘동종 탠덤 유기태양전지’는 단일 구조 대비 높은 효율을 구현할 수 있어 상용화 가능성이 큰 기술로 주목받아 왔다.

그러나 탠덤 구조에서 상부 셀과 하부 셀을 전기적으로 연결하는 전하 재결합층을 안정적으로 구현하는 것이 그동안 가장 큰 기술적 난제로 지적돼 왔다.

기존에 활용되던 PEI 물질은 유기태양전지 핵심 소재와 화학적으로 반응해 소자 성능을 급격히 저하시키는 한계를 지녔다.

이진호 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전도성 고분자인 PEDOT:PSS와 PEI를 결합한 새로운 전하 재결합층 구조를 제안했다.

연구 결과, PEDOT:PSS에서 유래한 양성자가 PEI를 즉각적으로 양성자화해 핵심 소재에 대한 화학적 공격성을 차단하는 ‘화학적 패시베이션’ 역할을 수행하는 것으로 확인됐다.

이 기술을 적용한 탠덤 유기태양전지는 18% 이상의 고효율을 기록했으며, 실제 태양광 조건에서도 장시간 안정적으로 작동하는 것으로 검증됐다.

효율과 안정성이라는 두 가지 난제를 동시에 해결하며 상용화 가능성을 크게 높였다는 평가다.

이진호 교수는 “이번 연구는 단순한 효율 개선을 넘어, 고분자 전해질과 유기 반도체 간의 복잡한 화학적 상호작용을 근본적으로 규명하고 이를 제어했다는 점에서 의미가 크다”며 “유기태양전지 상용화를 앞당기고 차세대 광전 소자의 안정성 확보에 핵심적인 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 인천대학교 연구진을 중심으로 한국화학연구원과 글로벌 소재 기업 다우(Dow Inc.)가 참여한 산학연 협력으로 수행됐다.