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효율 2배 높인 유기태양전지 대량생산 기술 개발

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2019년 05월 21일 16:08 프린트하기

신원석 한국화학연구원 책임연구원 연구팀은 대량생산 공정 시 광전변환효율이 떨어지는 문제를 해결한 유기태양전지를 개발했다. 샤프켓라술 박사과정생(오른쪽)과 송창은 선임연구원(왼쪽)도 함께 연구에 참여했다. 한국화학연구원 제공
신원석 한국화학연구원 책임연구원 연구팀은 대량생산 공정 시 광전변환효율이 떨어지는 문제를 해결한 유기태양전지를 개발했다. 샤프켓라술 박사과정생(오른쪽)과 송창은 선임연구원(왼쪽)도 함께 연구에 참여했다. 한국화학연구원 제공

국내 연구진이 3세대 태양전지인 유기태양전지를 상온에서 대량생산할 때 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 광전변환효율이 절반으로 감소하는 문제를 해결했다.

 

한국화학연구원은 신원석 화학소재연구본부 책임연구원 연구팀이 상온 대량생산 공정에서 보통 4%에 불과한 광전변환효율을 2배가 넘는 9.66%로 늘린 유기태양전지를 개발했다고 21일 밝혔다.


유기태양전지는 차세대 태양전지로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지와 함께 3세대 태양전지로  분류된다. 페로브스카이트 태양전지는 유기물과 무기물을 합성해서 만드는 반면, 유기태양전지는 메로시아닌 등 유기물만 재료로 사용한다. 유기태양전지는 페로브스카이트 태양전지와 달리 재료 특성상 가볍고 유연하며 제조단가가 저렴한 게 특징이다. 다양한 색상 구현이 가능해 휴대용 웨어러블 소자, 아웃도어 제품, 인테리어 내장재와 같은 다양한 용도에 쓰인다. 


유기태양전지는 실험실에서 높은 광전변환효율을 내지만 실제 대량생산 환경에서 효율이 절반으로 떨어지는 단점이 있다. 섭씨 110도의 실험실 환경에서는 단위소자 기준 9%대의 효율을 보이지만 섭씨 25도의 실제 대량생산 환경에서는 4%대의 효율에 그친다. 


이런 현상은 태양전지 효율을 결정하는 유기태양전지 광활성층에 들어가는 고결정성 고분자 때문에 생긴다. 고결정성 고분자는 고분자가 규칙적으로 배열돼 전하 이동도를 높이지만 고온이 아닌 상온 공정에서는 효율저하를 일으키기 때문이다.


연구팀은 섭씨 25도의 상온에서도 실험실 환경과 비슷한 광전변환효율을 내는 유기태양전지를 개발했다. 유기태양전지의 광활성층에 새로운 고결정성 고분자 ‘PNTz4T-5MTC’를 사용했다. PNTz4T-5MTC는 고결정성 고분자의 규칙성을 부분적으로 깨뜨려 섭씨 25도의 상온에서도 9.66%의 광전변환효율을 내는 것으로 나타났다.


신 연구원은 “대량생산 공정에 적합한 유기태양전지 광활성 소재 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다”고 말했다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스’ 4월 16일 온라인판에 발표됐다.
 

발된 유기태양전지 대면적 모듈이다. 한국화학연구원 제공
발된 유기태양전지 대면적 모듈이다. 한국화학연구원 제공

 

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