유기태양전지 제조비용, '20분의 1'로 낮췄다

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유기태양전지 제조비용을 획기적으로 낮출 수 있는 기술이 개발됐다. 제조법도 매우 간단해 유기태양전지 상용화 물꼬를 트는 핵심 역할을 할 전망이다.

한국화학연구원(원장 이미혜)은 송창은·신원석 박사팀과 임은희 경기대 교수팀이 유기태양전지 광활성층 신소재를 개발, 제조비용을 20분의 1로 낮추는데 성공했다고 29일 밝혔다.

유기태양전지는 빛을 흡수해 전하를 생성하는 광활성층에 유기물질을 사용한다. 광활성층은 '전자주개'와 '전자받개'로 이뤄져 있는데, 빛을 쪼이면 층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각 양극과 음극으로 이동하고, 이 전위차로 전류가 흐르게 된다.

전자받개(acceptor) 및 전자주개(donor) 소재의 분자구조
<전자받개(acceptor) 및 전자주개(donor) 소재의 분자구조>

화두는 전자받개에 들어가는 신소재 개발이다. 당초 축구공 모양인 '풀러렌 소재(PCBM)'가 쓰였는데, 빛 흡수량이 적어 광전변환효율도 낮았다.

비풀러렌 구조 전자받개 소재가 나왔지만 합성하려면 다섯 단계를 거쳐야 해 시간과 비용이 많이 들었다. 또 빛을 흡수하는 파장대가 전자주개 소재(PTB7-Th)와 겹쳤다. 이 경우 넓은 범위의 태양광을 흡수하는데 비효율적이다.

연구진은 분자구조가 단순한 신소재(T2-ORH)를 개발했다. 두 단계 만에 합성할 수 있는 소재로, 합성시간과 비용을 크게 줄였다. 합성비용은 그램(g)당 40달러로, 기존 비풀러렌 소재 합성법의 20분의 1 수준이다. 또 전자주개 소재가 흡수하지 못하는 단파장 영역(자외선)을 흡수할 수 있다.

이를 활용해 2대 1 비율로 전자받개 신소재, 전자주개 소재를 섞어 만든 유기태양전지는 0.1㎠ 기준 9.33% 광전변환효율을 보였다. 기존 전자받개 소재와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 2:1로 혼용한 유기태양전지 효율은 7.46%였다.

연구진은 한발 더 나아가 인체와 환경에 유해한 할로겐 용매 대신 비할로겐 용매에서도 용액공정이 가능하도록 용해도를 향상시켰다. 신소재 분자(T2-ORH) 양 끝에 비대칭적인 곁사슬을 붙이는 방법으로 T2-OEHRH를 만들었고, 비할로겐 용매에서의 용해도를 향상시켰다. T2-OEHRH와 PTB7-Th를 2대 1로 혼용한 유기태양전지는 0.1㎠에서 9.7%, 대면적에서는 6.2% 광전변환효율을 나타냈다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com