진성호·윤진환 부산대 화학교육과 교수팀이 친환경 비할로젠(Halogen-Free) 용매공정이 가능한 새로운 전자공여체 고분자를 활용해 고효율 유기 태양전지 서브 모듈(~55㎠)을 개발했다.
'비할로젠 용매공정'은 화학 공정에서 비할로젠(염소, 브롬, 플루오린 등을 포함하지 않는 화학요소) 용매로 화학 물질을 제조 및 처리하는 공정이다. 염소나 브롬 같은 할로젠 용매보다 인간 건강과 환경에 미치는 영향이 적어 각광받고 있다.
'전자공여체'는 전자를 전달하거나 운반을 담당하는 물질이다. '서브 모듈(sub-module)'은 전체 태양전지 모듈의 일부 구성 요소이고, '55㎠'는 서브 모듈 표면적을 나타난다.
진 교수팀은 전자공여체 고분자(Nap-TT-SIBTA)를 활성층에 도입해 광전환 효율 17.96%(단위셀)와 13.88%(~55㎠, 서브 모듈)를 나타내는 유기 태양전지 개발에 성공했다. 향후 태양전지 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
진성호 교수는 “친환경 용매와 신규 고분자를 활용해 더 높은 광전환 효율을 달성하고 장기 안정성도 확보했다”며 “태양전지 산업을 혁신할 중요한 성과로 유기태양전지 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.
최근 유기 태양전지 기술 진전의 핵심 역할을 한 것 중 하나가 비풀러렌 기반 전자수용체 물질이다. 이 물질은 태양광 에너지를 흡수하고 전자를 효과적으로 전달한다. 하지만 아직까지 비풀러렌 기반 전자수용체 물질에 맞게 디자인된 전자공여체 고분자는 부족한 실정이다.
진 교수팀은 비풀러렌과 호환되는 전자공여체 고분자 개발과 유기 태양전지 성능을 향상하는 방안을 지속적으로 연구해 왔다.
또한 유기 태양전지 모듈은 단위셀보다 광전환 효율이 급격하게 떨어지는 문제를 안고 있다. 친환경 용매를 활용한 모듈 제작 시 광전환 효율은 더 떨어진다.
진 교수팀은 전자 수송 및 전하 분리과정에서 효율적 성능을 발휘하는 데 사용하는 유기 화학물질 싸이오펜(Th)과 싸이에노싸이오펜(TT)을 사용해 공여체와 수여체를 연결하는 고분자를 설계하고 합성했다. 그 결과, 쌍극자 모멘트, 전하 캐리어 이동도, 용해도 등이 향상됨을 확인했다.
이러한 향상된 특성을 기반으로 전자공여체와 전자수용체 성분이 삼원계 블렌드 활성층과 일치하는, 비할로젠 용매 공정이 가능한 서브 모듈을 제작했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도연구센터지원사업의 지원을 받았다. 해당 논문은 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 10월 20일자에 게재됐다.
부산=임동식 기자 dslim@etnews.com
