국내 연구진이 3세대 태양전지인 유기태양전지를 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.
한국화학연구원은 신원석‧송창은 박사팀이 25도에서도 9.66%의 광전변환효율을 내는 유기태양전지를 개발했다고 21일 밝혔다.
25도에서 롤투롤(Roll-to-roll, 윤전기로 신문을 찍어내듯 태양전지를 필름형태로 대량 생산하는 인쇄공정)에 적용 가능한 기술이다.
지금까지 유기태양전지는 실험실에서 높은 광전변환효율(빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율)을 내지만, 실제 대량생산 환경에서는 효율이 반 토막 났다.
이는 유기태양전지 광활성층(빛을 흡수해 전하를 생성하는 물질로 태양전지 효율을 결정)에 들어가는 고결정성 고분자 때문이다.
고결정성 고분자는 고분자가 규칙적으로 배열돼 전하 이동도를 높이지만, 고온이 아닌 상온 공정에서는 효율 저하 문제를 일으킨다.
이에 연구팀은 유기태양전지의 광활성층에 자체 개발한 고결정성 고분자 신소재를 사용해 기술 개발에 성공했다.
상온 25℃에서 소자 제작 시 새로 개발한 PNTz4T-5MTC 고분자를 도입한 유기태양전지의 광전변환효율(9.66%)이 기존 PNTz4T(4.81%)를 쓴 유기태양전지보다 2배 이상 높아졌다.
바코팅(Bar coating) 공정을 통해 대면적 모듈(10㎝×10㎝)로 제작한 유기태양전지의 광전변환효율도 최고 6.61%를 기록했다.
바코팅은 고분자 용액을 빠르고 균일하게 인쇄해 태양전지나 디스플레이 등을 제조하는 공정이다.
바코팅 공정의 성공은 롤투롤 공정에서도 태양전지를 대면적으로 생산할 수 있다는 것을 의미한다.
신원석 박사는 “롤투롤 공정에 적합한 유기태양전지 광활성 소재의 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다”고 말했다.
연구팀이 개발한 유기태양전지는 인체에 유해한 물질인 할로겐 용매를 사용하지 않는다.
보통 광활성층 고분자는 고체 상태의 고분자를 녹여서 용액으로 만들어 인쇄하는데, 이때 할로겐 용매가 쓰인다.
송창은 박사는 “유기태양전지 상업화의 걸림돌로 지적된 고온, 인체에 유해한 용매, 대면적 공정 문제를 해결하는데 중요한 기여를 할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업, 한국화학연구원 주요사업 등의 지원으로 수행됐다.
이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’온라인 판에 지난달 16일 실렸다.
