KRICT 한국화학연구원

□ 3세대 태양전지인 유기태양전지*를 대량생산할 수 있는 길이 열렸다. 상온 25℃에서 롤투롤(Roll-to-roll) 인쇄공정에 적용 가능한 기술이 개발된 것이다. 롤투롤은 윤전기로 신문을 찍어내듯 태양전지를 필름형태로 대량 생산하는 인쇄공정이다.
   *유기태양전지는 유기물 자체의 손쉬운 가공성으로 인해 롤투롤 인쇄공정으로 유연한 소자 제작이 가능하며, 제조비용도 저렴하다. 이처럼 유연하고 투명한데다 다채로운 색상 구현이 가능해 휴대용 웨어러블 소자, 아웃도어 제품, 인테리어 내장재 등 다양한 용도에 활용할 수 있다.

 ○ 지금까지 유기태양전지는 실험실에서 높은 광전변환효율(빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율)을 내지만, 실제 대량생산 환경에서는 효율이 반 토막 났다. 실험실의 고온 110℃에서는 단위소자 기준 9%대의 효율을 기록한 반면, 실제 롤투롤 공정이 이뤄지는 상온 25℃에서는 4%대로 효율이 크게 떨어진 것이다.

 ○ 이는 유기태양전지 광활성층(빛을 흡수해 전하를 생성하는 물질로 태양전지 효율을 결정)에 들어가는 고결정성 고분자 탓이다. 고결정성 고분자는 고분자가 규칙적으로 배열돼 전하 이동도를 높이지만, 고온이 아닌 상온 공정에서는 효율 저하 문제를 일으킨다.

□ 한국화학연구원 신원석？송창은 박사팀은 상온 25℃에서도 9.66%의 광전변환효율을 내는 유기태양전지를 개발했다. 유기태양전지의 광활성층에 자체 개발한 고결정성 고분자 신소재를 쓴 결과다.

 ○ 연구진은 기존 고결정성 고분자인 PNTz4T*에 MTC** 기능기를 도입해 새로운 고결정성 고분자 PNTz4T-5MTC를 만들었다. 태양전지는 고체상태의 고분자를 녹인 후 기판 위에 코팅해 만드는데, 고결정성 고분자를 용해시키기 위해서는 고온을 가해야한다.
     *PNTz4T: 디티오펜나프토싸이아디아졸과 디티오펜의 공중합 고분자
     **MTC: 에스터 작용기가 도입된 티오펜

 ○ 이번 연구에서는 MTC 기능기 도입으로 인해 고결정성 고분자의 규칙성이 부분적으로 깨져 용해도가 높아졌다. 그 결과, 저온인 25℃에서도 고결정성 고분자가 잘 용해됐고, 기존의 PNTz4T 고분자를 사용해 고온인 110℃에서 태양전지 소자를 제작한 결과와 비슷한 광전변환효율을 냈다. 

 ○ 다시 말해, 같은 상온 25℃에서 소자를 제작할 경우 새로 개발한 PNTz4T-5MTC 고분자를 도입한 유기태양전지의 광전변환효율(9.66%)이 기존 PNTz4T(4.81%)를 쓴 유기태양전지보다 2배 이상 높아진 것이다.

 ○ 바코팅(Bar coating) 공정을 통해 대면적 모듈(10㎝×10㎝)로 제작한 유기태양전지의 광전변환효율도 최고 6.61%를 기록했다. 바코팅은 고분자 용액을 빠르고 균일하게 인쇄해 태양전지나 디스플레이 등을 제조하는 공정이다. 바코팅 공정의 성공은 롤투롤 공정에서도 태양전지를 대면적으로 생산할 수 있다는 것을 의미한다.

 ○ 이번 연구를 주도한 한국화학연구원 신원석 박사는“롤투롤 공정에 적합한 유기태양전지 광활성 소재의 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다”고 자평했다.

□ 이번에 개발한 유기태양전지는 할로겐 용매를 사용하지 않는다. 보통 광활성층 고분자는 고체 상태의 고분자를 녹여서 용액으로 만들어 인쇄하는데, 이때 할로겐 용매가 쓰인다. 하지만 할로겐 용매는 인체에 유해한 물질이어서 그동안 문제점으로 지적됐다.

 ○ 이에 연구진은 광활성층 고분자를 용액으로 만드는 과정에서 비할로겐 용매를 이용하고서도 높은 용해도를 확보했다. 즉, 상온 25℃와 친환경 공정으로 유기태양전지를 만들 수 있게 된 것이다.

 ○ 이번 연구결과에서 소자 제작과 분석을 수행한 송창은 박사는 “이번 연구결과가 그 동안 유기태양전지 상업화의 걸림돌로 지적된 고온, 인체에 유해한 용매, 대면적 공정 문제를 해결하는데 중요한 기여를 할 것”이라고 말했다.

□ 이번 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials(IF: 21.875)’온라인판에 지난 4월 16일 ‘Room Temperature Processed Highly Ef？cient Large-Area Polymer Solar Cells Achieved with Molecular Engineering of Copolymers(분자 구조적 튜닝을 통한 상온 공정용 고효율 대면적 고분자 태양전지 개발)’로 게재됐다. 또한 연구결과는 국내 특허 및 PCT 출원했다.

 ○ 이번 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업, 한국화학연구원 주요사업 등의 지원을 받아 수행됐다.