유기태양전지 상온에서 롤투롤 인쇄공정 적용가능 기술개발

화학연, 광활성층 고분자 신소재 개발…상온서 광전변환효율 반토막 문제 해결

한국화학연구원 유기태양전지 연구진. 사진 왼쪽부터 송창은 박사, 신원석 박사, 샤프켓라술 박사과정 학생. 사진제공=한국화학연구원

세대 태양전지인 유기태양전지를 대량생산할 수 있는 길이 열렸다. 상온 25℃에서 롤투롤(Roll-to-roll) 인쇄공정에 적용 가능한 기술이 개발된 것. 롤투롤은 윤전기로 신문을 찍어내듯 태양전지를 필름형태로 대량 생산하는 인쇄공정이다.

한국화학연구원은 신원석‧송창은 박사팀이 상온 25℃에서도 9.66%의 광전변환효율을 내는 유기태양전지를 개발했다고 20일 밝혔다. 유기태양전지의 광활성층에 자체 개발한 고결정성 고분자 신소재를 쓴 결과다.

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

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.

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.

한국화학연구원 신원석 박사는 “롤투롤 공정에 적합한 유기태양전지 광활성 소재의 상용화에 한걸음 더 다가설 수 있게 됐다”고 평가했다.

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

/대전=박희윤기자 [e-mail]