서론

건물일체형 태양광발전(BIPV)은 도시의 지속 가능한 에너지 전환을 위한 중요한 경로로 부상했습니다. 다양한 기술 중에서 반투명 유기 태양전지(ST-OSC)는 조정 가능한 밴드갭과 고유의 반투명성으로 인해 자가 발전 창호의 이상적인 후보로 주목받고 있습니다. 그러나 기존 ST-OSC는 투명성과 효율성의 균형을 맞추기 위해 활성층을 매우 얇게(80 nm 미만) 유지해야 하는 주요 병목 현상에 직면해 있으며, 이는 대규모 산업 제조에 심각한 문제를 야기합니다. 미세한 두께 변동으로 인해 성능이 급격히 저하될 수 있으며, 대면적 모듈의 셀-투-모듈(CTM) 효율 유지율은 일반적으로 56% 미만입니다.

국가나노과학기술센터(NCNST) 및 공동 연구진이 Nature Communications에 발표한 최근 연구는 이 오랜 문제를 해결했습니다. 도너 희석 전략과 할로겐 프리 용매 조건에서의 슬롯다이 코팅을 결합하여 연구진은 놀라운 두께 허용오차를 가진 ST-OSC를 성공적으로 제작했습니다. 301 nm의 초박형 활성층에서도 소자는 높은 광이용효율(LUE)을 유지했으며, 100 cm² 모듈은 약 85%의 CTM 비율을 달성했습니다.

광이용효율의 성능 도약

BIPV 응용 분야에서 반투명 전지는 오랫동안 근본적인 트레이드오프에 직면해 왔습니다. 활성층 두께를 증가시키면 광자 흡수와 전력변환효율(PCE)이 향상되지만, 평균 가시광선 투과율(AVT)이 크게 감소합니다. 업계는 광이용효율(LUE = PCE × AVT)을 핵심 지표로 사용하여 ST-OSC를 평가합니다.

이 연구는 D:A 비율 1:3의 도너 희석 전략을 도입하여 특정 공정 조건에서 수용체 재료의 섬유상 네트워크 구조를 활용합니다. 이 접근 방식은 높은 투명성을 유지하면서 활성층 두께를 크게 증가시킬 수 있습니다.

관찰된 데이터는 놀랍습니다. 활성층 두께가 119 nm에서 301 nm로 증가했을 때, PM6:Qx-p-4Cl 기반 소자는 3.02%의 LUE를 유지하여 탁월한 두께 견고성을 보여주었습니다. 이는 박막 제어가 어려웠던 대면적 공정의 중요한 문제를 해결합니다.

그림 1은 PM6:Qx-p-4Cl 시스템의 화학 구조와 흡수 스펙트럼, 불투명 및 반투명 소자에서 다양한 D:A 비율에 따른 성능 추세를 보여주며, 도너 희석 시스템이 다양한 두께에서 투과율 유지 및 LUE 우위에서 기존 시스템보다 우수함을 입증합니다.

두께 허용오차의 메커니즘

도너 희석 접근 방식이 두께 민감성 문제를 해결하는 이유는 무엇일까요? 연구팀은 형태학 연구와 초고속 분광법을 통해 철저한 조사를 수행했습니다.

형태학적 특징과 관련하여, 특정 조건에서의 슬롯다이 코팅은 수용체 분자의 이상적인 응집을 촉진하여 연속적인 상호침투 섬유상 네트워크를 형성합니다. 이 구조는 도너 함량이 매우 낮을 때도 원활한 전하 수송을 보장합니다.

엑시톤 동역학의 경우, 실험 측정 결과 Qx-p-4Cl 수용체는 약 22.34 nm의 매우 긴 엑시톤 확산 길이를 가지고 있음이 밝혀졌습니다. 이는 두껍고 희석된 시스템에서도 엑시톤이 효과적으로 계면에 도달하여 해리될 수 있도록 보장합니다.

과도 흡수(TA) 분광법을 통한 전하 생성 분석은 시스템이 다양한 두께와 비율에서 효율적이고 안정적인 전하 생성을 유지함을 확인했습니다.

그림 2는 GIWAXS 및 AFM 특성 분석을 통해 섬유상 네트워크 구조를 보여주며, 과도 흡수 스펙트럼과 동역학 곡선을 통해 도너 희석 시스템에서의 견고한 전하 생성 및 수송을 입증합니다.

필름 형성 동역학: 슬롯다이 대 스핀 코팅

연구는 슬롯다이 코팅이 기존 스핀 코팅 공정보다 우수한 이유의 물리적 본질을 추가로 밝혀냈습니다.

필름이 과포화 상태에서 폭발적인 응집을 겪는 스핀 코팅과 달리, 가열된 기판에서의 슬롯다이 코팅은 이미 액체 상태에서 질서 있는 수용체 응집을 유도합니다. 이는 형태학 진화 경로를 근본적으로 변화시킵니다.

점도 제어도 중요한 역할을 합니다. 도너 희석은 용액 점도를 낮추어 용매 증발을 가속화하고 필름 얇아짐 후 결정화 시간을 연장합니다. 이는 큰 두께에서 과도한 수용체 응집을 억제합니다.

이 독특한 필름 형성 동역학은 대면적 코팅 중 필름 품질이 공정 매개변수 변동에 덜 민감하도록 보장하며, 이는 산업 생산 일관성에 중요한 요소입니다.

그림 3은 수용체 응집 과정을 모니터링하는 현장 UV-Vis 흡수 분광법과 스핀 코팅 대 슬롯다이 코팅 하의 필름 형성 메커니즘 비교 개략도를 보여주며, 가열된 기판이 형태학 진화에 미치는 중요한 조절 역할을 강조합니다.

산업 전망 및 BIPV 응용

높은 두께 허용오차로 인한 공정 이점을 활용하여 연구팀은 기술을 실제 응용 분야로 성공적으로 전환했습니다.

100 cm² 모듈에서 10.40% PCE와 3.32% LUE를 달성했으며, CTM 비율은 85%에 도달하여 대형 반투명 모듈의 새로운 기준을 세웠습니다.

BIPV 기능 시연을 위해 팀은 600cm² 발전 창문이 있는 자가 발전 주택 모델을 구축했습니다. 실험 결과 시스템이 LCD 디스플레이를 구동하고 리튬 배터리를 충전할 수 있음을 입증했습니다.

에너지 절감 효과도 인상적입니다. 활성층이 근적외선의 88.28%를 차단하기 때문에 셀 창문은 일반 유리창에 비해 실내 온도를 약 9.2°C 낮추어 건물 에너지 소비를 크게 줄입니다.

안정성 테스트 결과, 1000시간의 옥외 노출 후에도 장치는 초기 효율의 82% 이상을 유지하여 뛰어난 상업화 가능성을 보여주었습니다.

그림 4는 100cm² 모듈 구조와 CTM 효율 통계, 그리고 자가 발전 전자 기기 작동, 에너지 저장, 현저한 단열 냉각 효과 곡선을 포함한 BIPV 응용 시연을 보여줍니다.

결론 및 전망

이 연구는 몇 가지 주요 기여를 통해 녹색 건물 및 에너지 인터넷 응용 분야에서 유기 태양전지에 중요한 지원을 제공합니다.

첫째, ST-OSC의 초박막 의존성을 깨뜨려 제조 장벽을 낮춥니다. 높은 두께 허용 오차는 더 높은 생산 수율과 낮은 비용으로 직접 이어집니다.

둘째, 다차원 탄소 감축을 가능하게 합니다. ST-OSC 창문은 광전 발전을 통해 녹색 전력을 공급하는 동시에 뛰어난 단열을 통해 건물 냉방의 수동 에너지 소비를 줄입니다.

셋째, 이 기술은 광범위한 적용 가능성을 보여줍니다. 도너 희석 전략과 무할로겐 용매 처리를 결합하여 녹색 제조 트렌드에 부합하며, 유기 태양전지가 산업 규모 생산 라인으로 나아가는 장애물을 제거합니다.

세계가 탄소 중립을 향해 나아감에 따라, 발전, 에너지 절약 및 미적 매력을 통합한 이 스마트 에너지 솔루션은 모든 건물을 소형 녹색 발전소로 변화시키고 있습니다.

원문: https://www.nature.com/articles/s41467-026-69537-3

Ooitech 관점

Ooitech는 도너 희석과 슬롯 다이 코팅의 결합이 반투명 유기 태양전지의 두께 허용 오차 병목을 해결하여 BIPV 산업화 및 대면적 상업적 배치를 위한 현실적인 경로를 열었다고 믿습니다.