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빛을 전기로···제조 비용 20분의 1 '유기태양전지' 개발

송창은·신원석 화학연 연구팀·임은희 경기대 교수 협업
공정과정 2시간으로 감소·광전변환효율 향상···"상용화 기대"
(왼쪽부터) 송창은 화학연 에너지소재연구센터 박사와 신원석 박사가 새로 개발한 광활성 신소재가 적용된 유기태양전지를 들고 있다. <사진=화학연 제공>(왼쪽부터) 송창은 화학연 에너지소재연구센터 박사와 신원석 박사가 새로 개발한 광활성 신소재가 적용된 유기태양전지를 들고 있다. <사진=화학연 제공>

국내 연구진이 빛을 전기로 바꾸는 '유기태양전지' 제조 비용을 20분의 1 수준으로 저렴하게 만들 수 있는 기술을 개발했다. 이로써 향후 유기태양전지 상용화가 촉진될 전망이다.

한국화학연구원(원장 이미혜)은 송창은·신원석 박사팀과 임은희 경기대 교수팀이 유기태양전지 신소재를 개발했다고 29일 밝혔다.

빛을 흡수해 전기를 발생시키는 유기태양전지의 광활성층은 전자주개와 전자받개로 이뤄져 있다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각 양극과 음극으로 이동하고, 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 원리다.

유기태양전지의 성능 향상을 위해선 빛이 잘 흡수되고 전자가 쉽게 이동하는 구조를 가져야 한다. 그러나 기존엔 빛 흡수량이 적거나 복잡한 구조로 소재 합성에 많은 시간과 비용이 들었다. 
 
연구진은 단순한 분자구조로 본 5단계인 공정과정을 2단계로 줄여 단 2시간 만에 합성 가능한 신소재(T2-ORH)를 개발했다. 합성비용도 그램당 40달러로, 기존 비풀러렌 소재 합성법의 20분의 1수준으로 낮췄다. 또한 전자주개 소재가 흡수하지 못하는 자외선을 흡수할 수 있도록 광전변환효율을 높였다.

연구팀은 이러한 소재로 만든 유기태양전지 성능을 기존 유기태양전지와 비교했다. 그 결과 빛을 전기로 바꾸는 효율인 광전변환효율이 기존 7.46%에서 9.33%로 향상됐다.

임은희 경기대 화학과 교수는 "대학교 학부 실험 수준의 간단한 합성법을 사용해 고성능 유기태양전지를 만들었다"고 설명했다.

송창은 화학연 박사는 "기존 복잡한 화학 구조를 탈피한 신소재 개발 전략이 앞으로 고성능 유기태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것"이라고 전망했다.

유기태양전지는 투명기판, 투명전극, 광활성층, 금속전극으로 구성돼 있다. 이중 핵심은 광활성층으로, 전자받개(acceptor)와 전자주개(donor) 소재가 섞여 있다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각의 전극으로 이동하고, 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 된다. <사진=화학연 제공>유기태양전지는 투명기판, 투명전극, 광활성층, 금속전극으로 구성돼 있다. 이중 핵심은 광활성층으로, 전자받개(acceptor)와 전자주개(donor) 소재가 섞여 있다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각의 전극으로 이동하고, 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 된다. <사진=화학연 제공>
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