3세대 태양전지 대량 생산 기술
3세대 태양전지 대량 생산 기술
  • 이상진
  • 승인 2019.05.28 20:30
  • 조회수 1740
  • 댓글 0
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3세대 태양전지인 유기태양전지를 대량 생산할 수 있는 길이 열렸습니다. 신원석‧송창은 한국화학연구원 박사팀이 상온 25℃에서도 9.66%의 광전변환효율을 내는 유기태양전지를 개발했다고 밝혔습니다. 

이번에 개발된 유기태양전지 대면적 모듈(10㎝×10㎝). 출처:한국화학연구원
이번에 개발된 유기태양전지 대면적 모듈(10㎝×10㎝). 출처: 한국화학연구원

상온 25℃에서 롤투롤(Roll-to-roll) 인쇄공정에 적용 가능한 기술이 개발된 것인데요. 롤투롤은 윤전기로 신문을 찍어내듯 태양전지를 필름형태로 대량 생산하는 인쇄공정입니다. 지금까지 유기태양전지는 실험실에서 높은 광전변환효율(빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 효율)을 내지만 실제 대량생산 환경에서는 효율이 반 토막 났습니다. 

 

실험실의 고온 110℃에서는 단위소자 기준 9%대의 효율을 기록한 반면에 실제 롤투롤 공정이 이뤄지는 상온 25℃에서는 4%대로 효율이 크게 떨어진 것이었는데요.

 

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

고성능 대면적 유기태양전지 관련 실험결과. 출처:한국화학연구원
고성능 대면적 유기태양전지 관련 실험결과. 출처:한국화학연구원

연구진은 기존 고결정성 고분자인 PNTz4T에 MTC 기능기를 도입해 새로운 고결정성 고분자 PNTz4T-5MTC를 만들었습니다. 태양전지는 고체 상태의 고분자를 녹인 후 기판 위에 코팅해 만드는데 고결정성 고분자를 용해시키기 위해서는 고온을 가해야 합니다.

 

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

 

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 것인데요. 바코팅(Bar coating) 공정을 통해 대면적 모듈(10㎝×10㎝)로 제작한 유기태양전지의 광전변환효율도 최고 6.61%를 기록했습니다. 바코팅 공정의 성공은 롤투롤 공정에서도 태양전지를 대면적으로 생산할 수 있다는 것을 의미합니다.

왼쪽부터 송창은 박사, 신원석 박사, 샤프켓라술 박사과정생. 출처:한국화학연구원
왼쪽부터 송창은 박사, 신원석 박사, 샤프켓라술 박사과정. 출처: 한국화학연구원

신원석 한국화학연구원 박사는 "롤투롤 공정에 적합한 유기태양전지 광활성 소재의 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다"고 말했습니다.

 

송창은 박사는 "이번 연구 결과가 그 동안 유기태양전지 상업화의 걸림돌로 지적된 고온과 유해한 용매, 대면적 공정 문제를 해결하는데 중요한 기여를 할 것"이라고 설명했습니다.

 

이번 연구결과는 <Advanced Energy Materials>에 게재됐습니다. 



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