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2023.09.07.(목)
062-715-2061
062-715-2062
신소재공학부 이광희 교수
062-715-2325
미디어홍보팀 김지훈 팀장
미디어홍보팀 이나영 선임행정원 
유기 태양전지 수명 1,000시간 이상 늘렸다
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단분자를 광활성 층 용액에 첨가해 전자수송 층의 표면 안정화
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자기조립 층 도입해 수명 대폭 늘려 국제 저명학술지「ACS Energy Letters」게재
□ 광주과학기술원(GIST, 총장 임기철) 연구진이 유기 태양전지가 고온에서 
성능이 감소하는 문제를 간단한 방법으로 해결하고, 수명을 기존의 약 
50배인 1,000시간 이상 획기적으로 늘리는 데 성공했다. 
□ GIST 신소재공학부 이광희 교수와 에너지융합대학원 김희주 교수 공동 
연구팀은 스스로 얇은 보호층을 형성하는 단분자를 활용해 추가적인 코
팅 공정 없이 유기 태양전지의 긴 수명을 확보했다고 밝혔다. 
  ∘ 유기 태양전지는 유기물 반도체를 광활성 층*으로 활용하여 유연
(flexible)하고 색상 조절이 가능하며, 투명해서 자동차 유리 및 건물 
창문에도 활용될 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 
    * 광활성 층: 태양전지에서 빛을 흡수하며 전기를 생산하는 데 핵심 역할을 하는 얇은 층
이다. 유기 태양전지에서는 고분자와 단분자 유기물이 혼합된 용액을 코팅하여 광활성 
층을 형성한다.   
□ 반면 유기 태양전지는 고온에서 성능이 감소하는 문제가 있는데, 열에 
의해 유기물 분자들이 움직여 전하수송에 좋지 못한 형태로 변형되는 
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것이 주된 원인으로 려져 있다. 따라서 이를 해결하기 위해 유기물의 
화학적 구조를 바꿔 열에 의한 움직임을 억제하려는 연구들이 진행되
고 있다. 
□ 한편, 유기 태양전지에 전자수송 층*으로 널리 사용되는 산화아연은 그 
표면에 화학적으로 반응성이 있는 성분들이 존재함에도 불구하고, 고온 
환경에서 산화아연과 광활성 층의 계면에서 일어날 수 있는 열화에 관
한 연구는 지금까지 거의 이뤄지지 않았다. 
  * 전자수송 층: 광활성 층이 빛을 받아 생성하는 전자와 정공 중에 전자만을 효율적
으로 태양전지의 양극에 이동시켜 주기 위한 층으로, 양극과 광활성 층 사이에 코
팅되어 있다. 
□ 연구팀은 오비트랩/비행시간차 혼성 이차이온 질량분석기(Orbitrap/TOF 
Hybrid SIMS)*를 통해 단분자 유기물 반도체가 산화아연 표면에 존재하
는 불순물과 반응할 때 손상되는 현상과 단분자 유기물의 유동성이 커
질수록 그 손상이 더 많이 발생하는 현상을 확인했다. 
   * Orbitrap/TOF Hybrid SIMS: 고체의 표면분석 / 깊이분석 / 2D,3D 이미지분석을 
하여 화합물의 조성, 분포, 거동을 관찰하는 장비로, OLED, Solar Cell 등 유/무기 
다층박막 분석, 반도체/금속/세라믹 표면분석, 미세 먼지/플라스틱 성분분석, 바이
오 물질의 성분분석 등에 이용한다. 
   * 단분자 유기물: 중합을 통해 연결된 고분자 물질과 달리, 분자량이 낮은 유기물 
분자를 의미. 유기 태양전지의 광활성 층에 사용되는 단분자 유기물의 경우는 용
해도와 결정성 조절을 위해 곁사슬(side chain)이 많이 붙어있는 구조이다.
  ∘ 또한, 연구팀은 극성과 휘발성을 가지는 단분자 유기물인 
5-Methyl-1H-benzotriazole(이하 M-BT)을 광활성 층 용액에 혼합해 광
활성 층 코팅 시 산화아연 표면에 단분자 유기물이 자기조립
(self-assembly) 되어 표면 불순물 제거 및 보호층을 형성하도록 했다.
     * 자기조립(self-assembly): 무질서하게 존재하던 분자들이 외부의 개입 없이 구
성 요소 간의 상호작용 때문에 자발적으로 조직적인 구조나 형태를 형성하는 
현상. 
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□ 서로 다른 유동성을 가지는 세 종류의 단분자 유기물 반도체(Y6, L8BO, 
DTY6) 중 유동성이 큰 단분자(DTY6)를 사용한 유기 태양전지일수록 수
명이 향상된 정도가 가장 컸으며(1,000시간 후 68% 향상), 태양전지의 
초기 효율의 15%가 감소하기까지 걸리는 시간이 기존 20시간(M-BT 미
포함)에서 1,000시간 이상으로 약 50배 늘어나 수명이 대폭 향상됨을 
확인했다.
□ 이광희 교수는 “이번 연구는 광활성 층의 형태학적 안정성에만 초점
이 맞춰진 기존 열 안정성 연구들의 흐름에서 벗어나 간단히 하나의 
단분자를 광활성 층 용액에 첨가하는 것만으로 전자수송 층의 표면을 
안정화해 태양전지의 열적 안정성을 크게 향상했다는 데 의미가 있
” 면서 “이는 대면적화를 위한 프린팅 공정에도 적용할 수 있어 
유기 태양전지의 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대한다” 고 말했다.
□ 신소재공학부 이광희 교수와 에너지융합대학원 김희주 교수가 지도하
고 이산성 박사과정생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 과학기술정보
통신부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구사업, 기후변화대응기술개
발사업 및 GIST GRI사업 등의 지원을 받았으며, 연구 성과는 Material 
Science 분야 상위 약 4% 저널인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy 
Letters, IF: 23.991)’에 2023년 8월 31일 온라인 게재됐다.  <끝>
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논문의 주요 정보
1. 논문명, 저자정보 
 - 저널명 : ACS Energy Letters (IF: 23.991, 2021년 기준)
 - 논문명 : Long-Term Thermal Stability of Nonfullerene Organic Solar 
Cells via Facile Self-Assembled Interface Passivation
 - 저자 정보 : 이산성 박사과정생(제1저자, 지스트), 진종성 
박사(공동저자, 부산 KBSI), 문희훈 연구원(공동저자, 부산 
KBSI), 김주현 박사(공동저자, 지스트), 박기영 
박사과정생(공동저자, 지스트), 오주희 박사과정생(공동저자, 
지스트), 기태윤 박사과정생(공동저자, 지스트), 장수영 
박사(공동저자, 지스트), 강홍규 박사(공동저자 지스트), 
김희주 교수(공동 교신저자, 지스트), 이광희 교수(대표 
교신저자, 지스트)
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사 진 설 명
[사진1] (왼쪽부터) GIST 이광희 교수, 김희주 교수, 이산성 박사과정생
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그 림 설 명
[그림1] 단분자 유기물 반도체 화학구조 및 계면에서의 질량 분석: 
(a) 본 연구에서 광활성 물질로 사용된 단분자 유기물 화학구조 및 열 전이 온도(Tg) 
  - 유기물의 화학구조에 따라서 유기물 분자의 Tg가 다르다.
   * 열 전이 온도(thermal transition temperature, Tg): 단분자 유기물들이 움직이거나 재정렬을  
하게 되는 온도. Tg가 낮을수록 유동성이 크다고 볼 수 있음.  
(b) 산화아연 위에서의 유기물 반도체 질량 분석(계면에서만 열화됨을 확인)  
  - 산화아연과 접하지 않은 부분(bulk region)의 단분자 유기물은 고온 환경 노출 
전후의 질량 변화가 없으나, 산화아연과 맞닿아 있는 부분(interface region)의 
단분자 유기물은 전후에 질량 변화가 있음을 확인할 수 있다. 이는 고온 
환경에서 산화아연과 단분자 유기물 간에 화학적 반응이 있음을 보여준다. 
더불어 단분자 유기물의 Tg가 낮을수록 그 질량 변화가 증가됨을 확인할 수 
있다.
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 [그림2] 단분자 유기물의 유동성에 따른 열화 차이 모식도: Tg가 낮은 
단분자 유기물(SM-NFA로 표기됨)은 열에 의한 움직임으로 인해 형태학적 
변형이 클 뿐만 아니라 산화아연(ZnO로 표기됨) 표면에 반응성 종(Reactive 
species로 표기됨)과 반응하여 손상될 가능성이 커진다. 반면 Tg가 높은 
단분자 유기물의 경우는 열에 의한 움직임이 작으므로 계면에서의 손상 또한 
줄어들게 된다.
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[그림3] 자기조립 물질(M-BT) 도입에 따른 효율 및 안정성 변화
(a) M-BT가 첨가된 광활성 층의 깊이-성분 분석
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M-BT가 산화아연 표면에만 존재하는 것으로 확인됨. 이는 M-BT가 산화아연 
위에 자기조립 층을 형성했다는 것을 보여줌.
(b) 유기 태양전지 소자 구조, (c) 유기 태양전지의 효율 분포
(d-f) M-BT의 첨가 전후, 고온에서의 유기 태양전지 성능 변화 곡선   
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Tg 값의 순으로, M-BT 도입 시에 태양전지 수명의 변화가 달라진다. 
(Tg: DTY6 < Y6 < L8BO), (수명 변화: L8BO < Y6 < DTY6)