October 20,2018

저온 프린팅, 고효율 유기태양전지 만든다

"전도성 고분자 신소재 개발"

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국내 연구진이 플라스틱 기판 위에 고온 열처리 공정 없이 저온 프린팅 방식으로 유연한 고효율 유기태양전지를 구현할 수 있는 전도성 고분자 신소재를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 10일 저온 프린팅이 가능한 고성능 고분자 신소재를 개발, 이를 햇빛을 받아 전기를 생산하는 태양전지 광활성층 소재로 활용해 플라스틱(PET) 기판 위에 유연한 고효율 유기태양전지를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

고분자 신소재 활용한 유연한 고효율 유기태양전지 ⓒ 한국과학기술연구원 제공

고분자 신소재 활용한 유연한 고효율 유기태양전지 ⓒ 한국과학기술연구원 제공

유기태양전지는 프린팅방식으로 태양전지를 제작할 수 있는 대표적인 기술 중 하나이며, 고분자는 가볍고 유연한 유기태양전지 제작에 적합한 소재로 꼽힌다.

하지만 플라스틱 기판 위에 고분자 소재를 태양전지 광활성층으로 활용하려면 100℃ 또는 그 이하의 비교적 낮은 온도에서 모든 공정이 이뤄져야 한다.

그러나 기존 고분자 소재는 높은 전기적 특성과 광전 변환 특성을 얻기 위해 160℃ 이상의 고온 열처리를 통해 고분자 소재가 높은 결정구조를 갖도록 해야 하는 단점이 있었다.

연구팀은 이 연구에서 서로 다른 구조의 두 물질을 이용해 화학구조의 규칙성이 기존 고결정성 고분자보다 낮은 새로운 전도성 공중합 고분자(PBDB-T73)를 합성, 유기태양전지 광활성층 소재로 이용했다.

이 고분자는 기존 고분자 소재보다 결정성은 낮지만 열처리 공정 없이도 광활성층 안에서 전하를 생성하고 운반하는 특성이 우수한 것으로 나타났다.

이 고분자 신소재는 고분자가 광활성층 안에서 빛을 받아 자유전자를 만들어내는 소재(n-형)와 잘 섞여 우수한 전기적 특성을 갖는 것으로 나타났다고 연구팀은 설명했다.

플라스틱(PET) 기판 위에 기존 고결정성 고분자와 신규 고분자로 각각 유기태양전지를 만든 결과, 광전변환효율이 각각 7.2%와 10.02%로 신규 고분자 유기태양전지의 효율이 40%가량 높았다.

이런 광전변환효율은 플라스틱 기반의 유연 유기태양전지 소자 중 최고수준이며, 유리 기판에 제작한 유기태양전지와도 비슷한 수준이라고 연구팀은 밝혔다.

국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈' 표지

국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’ 표지 ⓒ 한국과학기술연구원 제공

손해정 박사는 “새로 개발한 유기태양전지 고분자 소재가 유기태양전지 상용화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시할 것으로 기대한다”면서 “후속연구로 프린팅 공정을 이용한 유연 유기태양전지 모듈을 제작하고 있으며 앞으로 건물 창호나 아웃도어 제품에 적용이 가능할 것”이라고 말했다.

이 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’(Advanced Energy Materials) 최신호에 게재됐다.

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