양창덕 UNIST 교수, 태양전지 상용화 걸림돌 '안정·효율성' 해결[이달의 과학기술인상]

차세대 하이브리드 반도체 핵심
'페로브스카이트' 태양전지 개발
에너지 전환효율 '업' 가격 '다운'
휴대용 전지·웨어러블 등에 활용

양창덕(오른쪽 두번째) 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수와 연구팀이 차세대 태양전지 연구실에서 기념 촬영을 하고 있다. /사진 제공=한국연구재단

[서울경제]

지난 1947년 미국의 벨연구소에서 세계 최초로 실리콘반도체 트랜지스터를 개발하며 실리콘 반도체 시대가 열렸다. 그 후 애플과 IBM사가 반도체를 활용해 개인용컴퓨터를 개발했다. 이처럼 지금까지 반도체는 실리콘과 같은 무기반도체를 중심으로 발달했다. 하지만 이제는 집적효율이 한계에 직면했다. 유기물을 이용한 반도체와 이를 사용한 장치가 뜨는 이유가 여기에 있다. 제작 공정이 단순하고 가격이 저렴하며 경량화 등 장점이 많다. 미래 맞춤형 전자소자의 잠재력이 큰 것이다. 실제로 가볍고 유연하고 휴대할 수 있고 인체 착용까지 가능한 차세대 유기반도체 소재 개발이 화두다. 고기능성 핵심 소재 경쟁력이 산업의 경쟁력을 좌우하는 시대가 된 것이다.

과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제가 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 10월 수상자인 양창덕 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수는 다양한 초고성능 유기반도체 소재와 소자 제작 기술을 확보하고 효율성과 안정성을 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 페로브스카이트는 하나의 음이온과 두 개의 양이온이 결합해 규칙적인 입체구조(결정)를 갖는 물질로 높은 에너지 전환효율과 저렴한 가격으로 차세대 유·무기 하이브리드 반도체의 핵심 소재로 꼽힌다.

연구팀은 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌로 지적돼온 수분 취약성과 효율성 문제를 동시에 해결하기 위해 나섰다. 빛을 전기로 변환하는 광활성층이 수분에 노출되는 것을 막고 새로운 정공 수송층 물질(Spiro-mF·Spiro-oF)을 개발한 것이다. 태양전지가 흡수한 빛은 전자와 양전하 입자인 정공으로 나뉘어 이동하는 과정에서 전기가 발생한다. 정공 수송층은 정공을 전극으로 나르는 통로로 태양전지 효율에 관여하는 것이다.

기존 스파이로 물질(Spiro-OMeTAD)과 신규 개발된 불소가 들어간 스파이로 물질(Spiro-mF, Spiro-oF)의 화학구조.

양 교수는 “효율성과 안정성이 높은 새로운 유기 전공 수송층 개발은 20년 동안 지속돼왔지만 물질을 찾기 어려웠다”며 “유기물질에 불소(F) 원자를 도입하면 에너지 레벨 하강, 분자 간 밀착 구조 강화, 소수성 등이 생기는 점에 주목해 기존 스파이로 소재(Spiro-OMeTAD)에 불소 원자 도입 전략을 세웠다”고 설명했다. 그 결과 원천형 신규 유기반도체 소재 개발을 통해 페로브스카이트 태양전지의 세계 최고 효율(24.82%)을 달성하고 500시간 고습도 환경에서도 초기 성능의 87% 이상 안정성을 유지하는 데 성공했다. 상용화 가능성을 확인하기 위해 제작한 1㎤ 대면적 소자에서도 22.31%의 고효율을 달성했다. 양 교수는 “유기전자 소재 과학의 위상을 강화하고 차세대 태양전지의 상업화를 가속화하는 데 이바지할 것”이라고 밝혔다.

앞서 그는 2018년에는 고무처럼 잘 늘어나는 ‘실리콘 기반의 고분자’를 활용해 ‘고유연성 유기 태양전지’를 만들었다. 유기 태양전지는 가볍고 잘 휘어져 휴대하거나 착용하는 전자 기기에 적용할 미래형 태양전지로 주목받는다. 하지만 기존에는 태양빛을 직접 흡수해 전류를 만드는 ‘광활성층’과 기판이 되는 ‘인듐 주석 산화물(ITO) 투명 전극’이 쉽게 깨지는 단점이 있었다. 양 교수팀은 잘 늘어나는 실리콘 기반 고분자를 개발해 광활성층 첨가제로 사용하고 ITO 기판도 유연한 물질로 대체했다. 이로써 휴대 가능한 태양전지나 웨어러블 기기에 적용 가능한 유기 태양전지 개발에 요긴하게 쓰일 것으로 기대된다.

고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com