[그린포스트코리아 김동수 기자] 국내 연구진이 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 교수팀이 유기태양전지 광활성층에 들어가는 신소재를 개발했다고 29일 밝혔다.

유기태양전지는 광활성층(빛을 흡수해 전하를 생성하는 층)에 유기물질을 사용하는 차세대 태양전지다. 광활성층은 전자주개(donor)와 전자받개(acceptor)로 구성된다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각 양극과 음극으로 이동하고 이 전위차에 의해 전류가 흐르는 원리다.

지금까지 연구자들의 화두는 전자받개(acceptor)에 들어가는 신소재 개발이었다. 처음에는 축구공 모양처럼 생긴 풀러렌 소재(PCBM)가 쓰였는데 빛을 흡수해서 생성된 전자는 풀러렌을 따라 고속도로를 달리듯 빠르게 이동할 수 있었다. 하지만 빛 흡수량이 적은 탓에 빛을 전기로 변환하는 효율인 광전변환 효율이 낮은 문제가 있었다.

이 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 드는 단점이 있었다. 

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

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

이번 연구결과는 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced energy materials)’의 지난해 4월호와 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’의 지난해 10월호, 올해 5월호에 각각 게재됐다. 또한 관련 연구결과는 국내 및 미국에 등록됐다. 

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