[에너지단열경제]이재철 기자
전자받개(acceptor) 및 전자주개(donor) 소재의 분자구조./화학연구원 제공
한국화학연구원 에너지소재연구센터 송창은·신원석 박사팀과 경기대학교 임은희 교수팀이 기존 대비 20분의 1 수준의 제조비용으로 유기태양전지 광활성층에 사용되는 신소재를 개발했다.
유기태양전지는 광활성층에 유기물질을 사용하는 차세대 태양전지로, 광활성층은 전자주개(donor)와 전자받개(acceptor)로 이뤄진다.
빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각 양극과 음극으로 이동하고 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 원리다.
공동연구팀은 전자받개에 들어가는 신소재로 분자구조가 단순한 'T2-ORH'를 개발했다.
신소재인 T2-ORH는 2단계만에 합성할 수 있어 합성시간과 비용을 크게 줄였다.
고성능 유기태양전지./화학연구원 제공
신소재 합성비용은 그램당 40달러로, 기존 비풀러렌 소재 합성법의 20분의 1 수준이다.
대학 학부 유기화학실험 수준의 방법으로 저가로 합성할 수 있는 소재를 개발해 고성능 유기태양전지를 구현한 것이다.
전자주개 소재가 흡수하지 못하는 단파장 영역도 흡수할 수 있어 광전변환효율도 높다.
실험에서 최적의 비율(2대1)로 전자받개 신소재(T2-ORH)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 섞어 만든 유기태양전지의 광전변환효율은 0.1㎠ 기준 9.33%를 기록했다.
기존 전자받개 소재(ITIC)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 2대1로 혼용한 유기태양전지 효율은 7.46%였다.
연구진은 또 인체와 환경에 유해한 할로겐 용매 대신 비 할로겐 용매에서도 용액공정이 가능토록 용해도를 향상시켰다.
그동안 광활성층 소재들이 비할로겐 용매에 잘 녹지 않아 불가피하게 인체 유해성 여부에도 불구하고 할로겐 용매를 사용해 왔다.
연구진은 신소재 분자(T2-ORH)의 양 끝에 비대칭적인 곁사슬을 붙이는 방법으로 T2-OEHRH를 만들어 비할로겐 용매에서의 용해도를 향상시켰다.
신소재 특유의 광학·전기화학적 특성도 그대로 유지시켰다.
송창은 박사는 "높은 경제성과 인체 유해성에서도 자유로운 기술이며 기존 복잡한 화학구조를 탈피한 신소재 개발로 향후 고성능 유기태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것"이라고 말했다.
연구결과는 국제학술지 'Advanced Energy Materials'에 지난해 4월, 'Journal of Materials Chemistry A'에는 지난해 10월 및 올해 5월 각각 게재됐다.
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