[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

유기 태양전지는 신재생 에너지 분야에서 큰 발전을 이루었으며, 건물의 스마트 창문에서부터 웨어러블 기술까지 다양한 응용 분야에 쉽게 통합될 수 있는 잠재력을 보여주고 있다. 이러한 가능성 때문에, 유기 태양전지 상용화를 위한 대면적 유기 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재, 대면적 유기 태양전지의 광활성층 제작에는 일반적으로 클로로포름과 클로로벤젠과 같은 할로겐 용매가 사용되고 있다. 하지만, 이러한 용매는 독성이 있어 환경과 인체에 해로우므로 대면적 유기 태양전지의 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 따라서 상대적으로 독성이 낮은 o-자일렌과 같은 비할로겐 용매를 사용한 대면적 유기 태양전지가 활발히 연구되고 있다. 그러나 비할로겐 용매에 대한 비풀러렌 억셉터의 용해도가 낮아 발생하는 광활성층 필름에서의 뭉침 현상으로 인해 균일한 대면적 광활성층 필름을 형성하기 어렵고, 이에 따라 고효율을 달성하기 어렵다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 비할로겐 용매를 사용했을 때 비풀러렌 억셉터의 뭉침 현상을 줄인 균일한 대면적 광활성층 필름을 형성할 수 있는 새로운 소재 개발의 필요성이 촉구되고 있다.

2. 연구내용 

본 연구에서는 비할로겐 용매인 o-자일렌에서 비풀러렌 억셉터의 뭉침 현상에 알킬 체인의 비대칭적 확장이 미치는 영향을 조사했다. 기존의 L8-BO(EH-EH) 억셉터는 2-에틸헥실(EH) 그룹이 도입된 구조로, 이는 o-자일렌에서 낮은 용해도와 광활성층 필름에서 많은 뭉침 현상을 보여 대면적 유기 태양전지 제작에 어려움을 초래했다. 이러한 문제를 해결하고자 본 연구에서는 L8-BO(EH-EH)의 알킬 체인을 연장하여 2-헵틸운데실(HU), 2-데실테트라데실(DT), 2-도데실헥사데실(DH) 그룹으로 대체하여 각각 L8-BO(HU-HU), L8-BO(HU-DT), L8-BO(HU-DH)의 신규 비풀러렌 억셉터 3종을 개발하였다. 알킬 체인이 확장된 신규 비풀러렌 억셉터들은 o-자일렌에 대한 용해도가 기존 L8-BO(EH-EH)에 비해 크게 향상되고 뭉침 현상이 억제되어 더 균일한 광활성층 필름을 형성하는 데 기여했다. 특히 알킬 체인이 비대칭적으로 확장된 비풀러렌 억셉터 중 L8-BO(HU-DT)가 포함된 혼합 필름에서 가장 적은 뭉침 현상이 확인되었다. 그 결과, 광활성층 면적 200cm²의 대면적 유기 태양전지에서 L8-BO(HU-DT)를 사용한 PM6:L8-BO(HU-DT):PC70BM 기반 유기 태양전지가 11.44%의 고효율을 달성했다. 이는 비할로겐 용매로 제작된 대면적 유기 태양전지 중에서도 매우 높은 효율에 해당하며, 동일한 면적의 PM6:L8-BO(EH-EH):PC70BM 기반 유기 태양전지보다(6.50%) 훨씬 우수한 성능을 나타낸다.

3. 기대효과 

본 연구는 비풀러렌 억셉터의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장하는 것이 비할로겐 용매로 제작한 대면적 유기 태양전지의 효율을 향상시키는 데 효과적인 전략임을 입증하였다. 이러한 접근법은 광활성층 내에서 비풀러렌 억셉터의 뭉침 현상을 줄이고 필름의 균일도를 크게 개선하여 대면적 유기 태양전지의 효율을 높였다. 독성이 낮은 비할로겐 용매를 사용함으로써 차세대 유기 태양전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한, 본 연구에서 사용된 슬롯-다이 코팅 방법은 roll-to-roll 공정에 적합하여 대면적 유기 태양전지의 대량 생산 및 상용화 가능성을 크게 높일 수 있다.

[용어설명]

1. 광전 변환 효율 (Power Conversion Efficiency, PCE)

태양광 에너지가 전기에너지로 변환되는 비율을 나타내며 태양전지의 성능을 평가하는 중요한 지표이다.

2. 비풀러렌 억셉터 (Non-Fullerene Acceptor)

유기태양전지의 광활성층에서 전자를 받아들이는 역할을 하는 중요한 구성 요소이며, 풀러렌 기반 억셉터에 비해 구조적 다양성이 크고 광 흡수 범위와 전기적 특성을 조절하기 용이하다.

3. 할로겐 용매 (Halogenated Solvent)

염소, 브롬, 플루오린 등의 할로겐 원소를 포함하는 용매로, 유기 화합물에 대한 용해도가 높아 널리 사용된다(ex: 클로로포름, 이염화메틸렌, 클로로벤젠 등). 독성이 있어 인체 및 환경에 대한 유해성이 높아 사용과 처리에 주의가 필요하다.

4. 뭉침 현상 (Aggregation)

분자들이 모여 덩어리를 형성하는 현상. 유기 태양전지에서 광활성층의 과한 뭉침 현상은 필름의 균일성을 저하시키며, 상분리로 인해 전하 이동 경로를 방해하여 태양전지의 효율을 감소시킨다.

5. Roll-to-roll 공정 (Roll-to-roll process, R2R)

플라스틱 필름이나 금속 포일 상에 유연하고 넓은 면적의 전자 부품을 연속적으로 생산하는 기법으로, 주로 대규모 생산에 적합하다. 슬롯-다이 코팅(Slot-die coating), 그라비어 인쇄(Gravure printing) 등의 기술이 roll-to-roll 공정에 포함된다.

[그림설명]

그림1. 본 연구에 사용된 물질의 화학구조 및 대면적 유기 태양전지 효율 비교

기존 L8-BO(EH-EH)의 알킬 체인을 비대칭적으로 확장시켜 신규 비풀러렌억셉터 L8-BO(HU-HU), L8-BO(HU-DT), L8-BO(HU-DH)를 합성함. PM6:비풀러렌 억셉터:PC70BM 광활성층을 비할로겐 용매인 o-자일렌을 이용하여 슬롯-다이 코팅 방법으로 제작함. 그 결과, 광활성층 면적 200 cm2의 대면적 유기 태양전지에서 최고 11.44%의 높은 광전 변환 효율을 기록함.

그림2. 광활성층 면적 200 cm2의 대면적 유기 태양전지 사진

(a) 앞, (b) 뒤, (165 mm × 160 mm), (c―f) 슬롯-다이 코팅 기법으로 제작된 광활성층 필름의 사진. 신규 비풀러렌 억셉터 L8-BO(HU-DT), L8-BO(HU-DH)를 사용한 광활성층 필름에서 뭉침 현상 없이 균일한 대면적 광활성층 필름이 제작된 것을 확인할 수 있음.