상온서 유기태양전지 대량 생산기술 국내서 개발

화학硏 신원석·송창은 박사팀
고결정성 고분자 신소재 개발
25℃서 광전변환효율 9.66%
기존 고분자보다 효율 2배 ↑

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상온서 유기태양전지 대량 생산기술 국내서 개발
화학연 연구자들이 상온에서 롤투롤 인쇄공정을 적용해 유기태양전지를 대량 생산하는 기술을 개발했다. 사진은 가로 10㎝, 세로 10㎝의 유기태양전지 대면적 모듈. 오른쪽 사진은 상온에서 유기태양전지를 대량 생산할 수 있는 기술을 개발한 송창은 박사(왼쪽부터), 신원석 박사, 샤프켓라술 박사과정생 등이 유기태양전지 대면적 모듈과 기념촬영을 하고 있는 모습. 화학연 제공

상온서 유기태양전지 대량 생산기술 국내서 개발
화학연 연구자들이 상온에서 롤투롤 인쇄공정을 적용해 유기태양전지를 대량 생산하는 기술을 개발했다. 사진은 가로 10㎝, 세로 10㎝의 유기태양전지 대면적 모듈. 오른쪽 사진은 상온에서 유기태양전지를 대량 생산할 수 있는 기술을 개발한 송창은 박사(왼쪽부터), 신원석 박사, 샤프켓라술 박사과정생 등이 유기태양전지 대면적 모듈과 기념촬영을 하고 있는 모습. 화학연 제공


국내 연구진이 고분자 신소재를 사용해 유기태양전지를 상온에서 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다. 태양전지를 필름 형태로 찍어내는 '롤투롤(Roll-to-Roll)' 인쇄공정을 적용해 효율은 높이면 윤전기로 신문을 찍어내는 것처럼 대량 생산이 가능하다.

한국화학연구원은 신원석·송창은 박사 연구팀이 광활성층에 쓰이는 고결정성 고분자 신소재를 자체 개발해 상온 25℃에서 9.66%의 광전변환효율을 내는 유기태양전지를 만드는 데 성공했다고 21일 밝혔다.

유기태양전지는 매우 가볍고 반투명하며 쉽게 휘어져 유연한 소자 제작이 가능한 차세대 웨어러블 전자소자다.

하지만 실험실에서 높은 광전변환효율(빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율)을 내지만, 실제 대량 생산 환경에서는 효율이 절반 이상으로 떨어지는 문제가 있다. 실제, 실험실의 고온 110℃ 에서 단위소자 기준 9%대의 효율이 상온 25℃에서 4%대로 크게 낮아진다.

이는 유기태양전지 광활성층(빛을 흡수해 전하를 생성하는 물질로, 태양전지 효율을 결정)에 들어가는 고결정성 고분자 때문이다. 이 고분자는 전하이동도를 높이지만, 고온이 아닌 상온 공정에서는 효율이 저하된다.

연구팀은 새로운 고결정성 고분자를 만들어 이를 고온으로 가해 용해시켜 고분자의 규칙성을 부분적으로 깨뜨려 용해도를 높였다. 그 결과, 상온인 25℃에서도 고결정성 고분자가 잘 용해되고, 고온 110℃에서 태양전지 소자를 제작했을 때와 비슷한 효율을 얻었다. 기존 고분자 소재를 썼을 때보다 상온에서 유기태양전지의 효율을 2배 이상 높인 셈이다.

또한 광활성층 고분자를 용액으로 만드는 과정에서 인체에 유해한 물질인 할로겐 용매 대신 비할로겐 용매를 써 높은 용해도와 친환경 공정을 구현했다.

연구팀은 고분자 용액을 빠르고 균일하게 인쇄하는 바코팅 공정으로 가로, 세로 10㎝ 크기의 대면적 모듈로 제작한 유기태양전지의 효율이 최고 6.61%를 기록했다고 설명했다. 이는 롤투롤 공정에서 태양전지를 대면적으로 생산할 수 있음을 보여준 결과라고 연구팀은 설명했다.

신원석 화학연 박사는 "롤투롤 공정에 적합한 유기태양전지 광활성 소재의 상용화에 한 걸음 다가서는 결과를 얻은 것"이라며 "유기태양전지 상업화의 걸림돌인 고온, 인체에 유해한 용매, 대면적 공정 문제 등을 한꺼번에 해결했다는 데 의미가 있다"고 말했다.

이 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(지난달 16일자)' 온라인판에 게재됐으며, 과기정통부와 화학연 주요사업 등의 지원을 받아 연구가 수행됐다.

대전=이준기기자 bongchu@dt.co.kr

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