제이앤엠뉴스 | 경상국립대학교 연구진이 유기태양전지의 효율을 높일 수 있는 새로운 고분자 소재를 개발하고, 이 소재의 전하 이동 개선 원리를 밝혀냈다.

김기환 교수(공과대학 나노신소재공학부)와 김윤희 교수(자연과학대학 화학과)가 이끄는 연구팀은 고분자 기반의 '게스트 도너' 물질인 DTBDT-SEH-C8을 설계해 유기태양전지에 적용, 소자 효율 향상에 성공했다고 발표했다. 이번 연구에는 김하린 연구원과 홍진웅 연구원이 제1저자로, 초혜원 박사(램프사업단), 김윤희 교수, 김기환 교수가 교신저자로 참여했다.

유기태양전지는 경량성과 유연성, 대면적 제작이 가능한 특성으로 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 최근에는 여러 물질을 혼합하는 삼원계 구조를 통해 성능을 높이려는 시도가 이어지고 있으나, 기존 연구는 주로 전자 수용체 물질에 집중되어 왔다. 이에 연구팀은 기존 도너 소재인 PM6와 유사하지만 공액 구조가 확장된 DTBDT-SEH-C8을 새롭게 설계했다.

실험에서는 PM6:Y6 기반 유기태양전지에 DTBDT-SEH-C8을 약 1% 첨가했을 때 전하 분리와 수집 효율이 모두 향상되는 결과가 나타났다. 연구진은 다양한 분석을 통해 이 고분자 소재가 도너와 억셉터 사이에서 전하 이동 경로를 연결하는 역할을 한다는 점을 확인했다. 특히 C-AFM 분석 결과, DTBDT-SEH-C8이 도너와 억셉터 사이에 '인터스티셜 연결'을 형성해 전하 이동 경로를 개선하는 것으로 나타났다.

연구팀은 "구조적으로 호환되는 고분자 게스트 도너를 소량 도입하면 전하 이동 경로를 효과적으로 연결할 수 있다"며, 이번 연구가 삼원계 유기태양전지의 새로운 소재 설계 전략을 제시했다고 설명했다. 김기환 교수는 "이번 연구를 통하여 삼원계 고분자의 안정성과 성능을 획기적인 증가로 차세대 태양전지인 유기 태양전지의 성능을 대폭 개선했다"고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단의 GNU 램프사업단, 개인 기본 연구 사업, 2025년 GNU 글로컬 사업단 연구, BK21 GNU지능형첨단소재개척인재양성사업단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 3월 12일 《케미컬엔지니어링저널(Chemical Engineering Journal)》 온라인판에 게재됐다.