[서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 국내연구진이 유기태양전지 제조비용을 획기적으로 낮출 수 있는 기술을 개발했다. 제조법이 학부 유기화학실험 수준으로 간단하면서도 비용은 대폭 낮춰 유기태양전지 상용화에 물꼬를 틀 전망이다.

한국화학연구원 송창은·신원석 박사팀과 경기대학교 임은희 교수팀은 유기태양전지 광활성층(빛을 흡수해 전하를 생성하는 층)에 들어가는 신소재를 개발, 제조비용을 20분의 1로 낮췄다고 29일 밝혔다.

[서울=뉴스핌] 김지완 기자 = 유기태양전지는 투명기판, 투명전극, 광활성층, 금속전극으로 구성되어 있다. 이중 핵심은 광활성층으로, 전자받개(acceptor)와 전자주개(donor) 소재가 섞여 있다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각의 전극으로 이동하고, 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 된다. [제공=화학연] 2020.07.29 swiss2pac@newspim.com

유기태양전지는 광활성층에 유기물질을 사용하는 차세대 태양전지로, 광활성층은 전자주개(donor)와 전자받개(acceptor)로 이뤄져 있다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각 양극과 음극으로 이동하고, 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 원리다.

연구자들의 화두는 전자받개(acceptor)에 들어가는 신소재 개발이었다. 처음에는 축구공 모양처럼 생긴 풀러렌 소재(PCBM)가 쓰였다. 빛을 흡수해서 생성된 전자는 풀러렌을 따라 고속도로를 달리듯 빠르게 이동할 수 있지만, 빛 흡수량이 적은 탓에 광전변환효율(빛→전기 변환효율)이 낮았다.

이러한 문제를 개선한 게 비풀러렌 구조의 전자받개 소재였다. 하지만 이 소재(ITIC)는 분자구조가 복잡하고, 분자들이 길게 연결된 탓에 합성하려면 5단계를 거쳐야 해 시간과 비용이 많이 들었다. 게다가 빛을 흡수하는 파장대가 전자주개 소재(PTB7-Th)와 겹쳐 넓은 범위의 태양광을 흡수하는데 비효율적이었다. 전자주개 소재(PTB7-Th)는 주로 가시광선과 근적외선을 흡수한다.

이에 공동 연구진은 분자구조가 단순한 신소재(T2-ORH)를 개발했다. 단 2단계 만에 합성할 수 있는 소재로, 합성시간과 비용을 크게 줄였다. 실제 신소재 합성비용은 그램당 40달러로, 기존 비풀러렌 소재 합성법의 20분의 1 수준이다. 또한 전자주개 소재가 흡수하지 못하는 단파장 영역(자외선)을 흡수할 수 있어 광전변환효율을 높였다.

임은희 경기대 화학과 교수는 "이번 연구의 가치는 학부 유기화학실험 수준의 간단한 합성법을 사용해 단 2단계 만에 저가로 합성하는 소재로도 고성능 유기태양전지를 구현할 수 있는 데에 있다"고 설명했다.

실험을 통해 최적의 비율(2:1)로 전자받개 신소재(T2-ORH)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 섞어 만든 유기태양전지의 광전변환효율이 0.1㎠ 기준으로 9.33%를 기록했다. 기존 전자받개 소재(ITIC)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 2:1로 혼용한 유기태양전지 효율은 7.46%(0.1㎠)였다.

송창은 한국화학연구원  박사는 "기존의 복잡한 화학 구조를 탈피한 신소재의 개발 전략이 앞으로 고성능 유기태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것"이라고 자평했다. 

공동 연구진은 여기서 한발 더 나아가 인체와 환경에 유해한 할로겐 용매 대신 비할로겐 용매에서도 용액공정이 가능하도록 용해도를 향상시켰다. 보통 유기태양전지는 고체 상태의 광활성 소재를 유기 용매에 녹인 후 기판 위에 코팅해 만든다.

지금까지 할로겐 용매가 인체와 환경에 유해한 것을 알았지만, 광활성층 소재들이 비할로겐 용매에 잘 녹지 않아 불가피하게 할로겐 용매를 사용해왔다.

하지만 공동 연구진은 신소재 분자(T2-ORH)의 양 끝에 비대칭적인 곁사슬을 붙이는 방법으로 T2-OEHRH를 만들었고, 비할로겐 용매에서의 용해도를 향상시켰다. 그와 동시에 신소재 특유의 광학적·전기화학적 특성을 그대로 유지하는 데 성공했다. 그 결과, T2-OEHRH와 PTB7-Th를 2:1로 혼용한 유기태양전지는 0.1㎠에서 9.7% 대면적에서는 6.2% 광전변환효율을 나타냈다.

이번 연구는 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업과 한국연구재단 중견사업의 지원으로 이뤄졌다.

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