제조 비용 20분의 1 수준으로 낮춘 유기태양전지 소재 개발

화학연·경기대 연구팀 "제조법도 학부 실험 수준으로 간단"

한국화학연구원은 송창은·신원석 박사팀과 경기대 임은희 교수팀이 유기태양전지 광활성층(빛을 흡수해 전하를 만드는 층)에 들어가는 신소재를 개발했다고 29일 밝혔다.

광활성층 제조 비용이 기존 유기태양전지의 20분의 1 수준에 불과하고, 제조법도 학부 실험실에서 할 수 있는 간단한 수준이라고 연구팀은 설명했다.

유기태양전지는 광활성층을 플라스틱 같은 유기물로 만든 것으로, 실리콘 기반 기존 태양전지와 달리 얇고 휘어지는 성질이 있어 휴대용 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있는 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.

광활성층은 전자주개(donor)와 전자받개(acceptor)로 이뤄져 있는데, 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각 양극과 음극으로 이동해 전위 차에 의해 전류가 흐르게 되는 원리이다.

전자받개에 들어가는 소재로 축구공 모양의 탄소 분자 ‘풀러렌’이 주로 쓰이는데, 빛 흡수량이 적어 광전 변환 효율(빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 효율)이 낮다는 한계가 있다.

이 때문에 비 풀러렌 구조 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만 분자 구조가 복잡하고, 합성에 시간과 비용이 많이 든다.

연구팀은 분자 구조가 단순한 비 풀러렌 계열 신소재 ‘T2-ORH’를 개발했다.

단 두 단계 만에 합성할 수 있는 소재로, 합성에 드는 시간과 비용을 획기적으로 줄였다.

신소재 제작 비용은 1g당 40달러로, 상용 비 풀러렌 소재의 20분의 1 수준이다.

또 전자주개 소재가 흡수하지 못하는 짧은 파장의 자외선 영역을 흡수할 수 있어 광전 변환 효율을 높일 수 있다.

개발한 신소재를 적용한 유기태양전지의 광전 변환 효율은 9.33%로 기존 전자받개 소재 ‘ITIC’를 적용한 유기태양전지 효율(7.46%)보다 높았다.

특히 광활성층 소재를 녹이는 데 필요한 유기용매를 기존 유해한 할로겐 용매 대신 친환경 용매로 대체할 수 있다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이'(Journal of Materials Chemistry A) 지난 5월 호에 실렸다.

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