유기 태양전지 효율성과 수명연장을 동시에…

고두현 교수·KIST 권석준 박사 다성분계 유기태양전지 기술 개발

▲ 고두현 교수

국내연구진이 미래 신재생 에너지원으로 불리는 '유기 태양전지'의 효율을 높이고 수명을 연장한 기술을 개발했다.

유기 태양전지는 실리콘 등 무기 물질 대신 가시광을 흡수하는 유기 물질을 광 흡수층으로 사용하는 태양전지다.

얇은 막으로도 태양광 대부분을 흡수할 수 있어 미래 신재생 에너지원으로 주목받고 있다.

한국연구재단은 경희대 응용화학과 고두현 교수<사진>와 한국과학기술연구원(KIST) 권석준 박사가 공동으로 기존 태양전지보다 효율과 수명을 획기적으로 늘린 4성분계 유기 태양전지기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

태양빛을 받아 생성된 전자를 주는 물질인 도너(donor)와 태양빛을 받아 생성된 전자를 받는 물질인 억셉터(accepter)가 혼합된 유기물질로 유기 태양전지는 만들어진다.

하지만, 유기태양전지 작동 중에는 도너와 억셉터가 지속적으로 분리돼 효율과 수명이 지속적으로 저하됐다.

▲ 프린팅 기법으로 제작 가능한 대면적 유기 태양전지 도식도.

이에 연구팀은 도너와 억셉터가 아닌 서로 다른 종류의 고분자 도너 2종류와 탄소 원자 2종류가 포함된 억셉터 물질을 특정 비율로 혼합하는 4성분계 '벌크 이종 접합(bulk heterojunction)' 방법을 개발해 태양전지에 적용했다.

벌크 이종 접합은 서로 다른 성분을 갖는 벌크 단위의 물질 간의 접합으로 일반적으로, 보통 도너와 업섹터 한 쌍으로 이루어진 접합을 말한다. 그 결과 비교적 높은 온도인 65℃도에서 1년 간 보관했을 때 초기 광전 변환 효율이 초기 효율 대비 72% 이상 유지했다.

기존 태양전지가 1개월 내 성능이 초기 효율 대비 절반 이하로 급감하는 것과는 대조적이다.

여름 자동차 내부 실내 온도인 95℃보다 높은 섭씨 120℃에 이르는 혹독한 고온에서도 1개월 내 성능이 초기 광전변환 효율의 약 70% 이상을 유지했다.

또 다성분계 벌크 이종 접합 태양전지는 광흡수 영역을 확대시키고 도너과 억셉터 간의 계면을 높여 효율이 약 11% 향상되기도 했다.

이밖에 다성분계 태양전지에 사용되는 광흡수 물질의 흡수 영역과 물질 간의 비율에 따라 푸른색에서 붉은색까지 사람의 눈에 보이는 색상 차이를 미세하게 조절할 수 있는 특징이 있다.

고두현 교수는 “이 연구는 유기 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 플랫폼 기술을 개발한 것에 의미가 있다” “눈에 보이는 색상의 차이를 미세하게 조절할 수도 있어 건물 창이나 외벽에 미학적인 용도로 사용하는 창호형 태양전지로 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

이 연구 결과는 미래창조과학부와 한국연구재단 기초연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 지난달 16일 국제적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

최소망 기자 somangchoi@