태양의 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치인 태양전지는 차세대 에너지원으로서 크게 주목을 받고 있다. 현재 상용화된 1세대 태양전지는 실리콘 기반의 무기반도체로, 유연성이 떨어지고 제작과정이 복잡하며, 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 그 대안으로 등장한 것이 대량생산이 가능하고 접거나 말 수 있는 ‘유기태양전지’이다. 하지만 유기태양전지는 효율성이 낮아 개선을 위한 많은 연구가 진행되어왔다. 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소 손동익 선임연구원, 이규승 박사과정, 박영재 박사 연구팀은 차세대 반도체 소재로 각광받는 물질인 ‘이황화 몰리브덴’을 활용하여 유기태양전지의 효율 증가에 대한 원리를 규명하는데 성공했다고 23일 밝혔다.

이황화 몰리브덴은 세계에서 가장 얇은 반도체 물질 중 하나로,휘는 반도체를 만드는데 주로 쓰인다. 연구팀은 높은 전자이동도를 갖는 이황화 몰리브덴을 유기태양전지의 전자수송층으로 사용하여 광전 변환효율을 획기적으로 개선하고 이에 따른 효율 증가에 대한 원리를 규명했다.

KIST 손동익 박사팀은 전지의 표면 위에 ‘이황화 몰리브덴 나노시트’를 전자수송층으로 사용하여 유무기 하이브리드 구조를 가진 유기태양전지를 제작하였다. 이를 통해 유기태양전지의 광전 변환 효율을 증가시켰고, 이황화 몰리브덴 나노시트가 효율 증가에 미치는 영향을 관찰하기 위해 시간분해 형광분광법과 시뮬레이션 계산을 활용했다. 

  

연구팀은 본 실험을 통해 이황화몰리브덴을 적용하지 않은 기존의 유기태양전지 대비 27%이상의 효율이 증가했음을 확인하였고, 동시에 안정성도 개선됨을 확인했다. 

KIST 손동익 박사는 “이황화몰리브덴 나노시트를 이용하여 광 에너지 전환 효율을 향상 시킬 수 있고, 뿐만 아니라 다양한 이차원 나노소재를 적절하게 응용한다면 차세대 고효율 유기태양전지 상용화 기술에 기여할 수 있다. 향후 가파른 증가추세에 있는 태양전지 시장의 수요에 부응할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

  

본 연구는 KIST 기관고유연구사업과 한국연구재단 중견연구사업에서 지원을 받아 수행하였다. 이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인 저널 오브 머테리얼 케미스트리 A(Journal of Material Chemistry A)에 2019년 6월 11일에 온라인판으로 게재됐다. /김진성 기자