필름형 태양전지 성능이 올라갔다

KIST, 유기태양전지 성능 유지 기술개발
세종류의 유기반도체 소재로 광활성층 제작
58.5㎠의 태양전지 광전 변환효율 14.04%

한국과학기술연구원(KIST) 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀이 58.5㎠로 만든 대면적 유기태양전지 모듈. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀이 유기태양전지를 넓은 면적으로 만들어도 성능이 유지되는 기술을 개발했다. 연구진은 빛을 받아 전기가 만들어지는 광활성층을 세 종류의 유기반도체 소재로 제작했다. 58.5㎠로 만든 대면적 유기태양전지 모듈은 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성했다.

손해정 박사는 27일 "인쇄 공정으로 만든 유기 태양전지를 대규모 모듈화 할 때 성능이 감소되는 주요요인을 밝혀 상용화에 한걸음 더 가까워졌다"고 말했다.

유기태양전지는 건물 벽면이나 옥상의 외장재, 창문 등에 프린팅 하는 방법으로 제작이 가능해 도심형 태양광 발전의 핵심기술로 주목 받고 있다. 하지만 지금까지의 고효율 유기태양전지들은 실험실 수준에서 개발된 0.1㎠ 미만의 좁은 면적이다. 넓은 면적의 모듈을 제작할 때 발생하는 성능감소와 재현성 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있다.

연구진은 유기태양전지 내 광활성층의 형태에 주목했다. 광활성층은 일반적으로 p형과 n형의 반도체 소재를 이용해 인쇄방식으로 쉽게 제작 할 수 있다. 하지만 광활성층을 만들때 용매증발 과정에서 p형 고분자가 뭉치면서 불균일한 구조를 만들어 낸다.

연구진은 p형과 n형 고분자에 또다른 n형 고분자를 첨가했다. p형과 n형 고분자는 물과 기름처럼 잘 섞이지 않는데, 또다른 n형 고분자가 들어가 그물처럼 각각의 소재를 균일하게 잡아주면서 뭉치는 현상들을 제어했다.

연구진은 새로운 광활성층을 사용해 58.5㎠ 크기의 유기태양전지를 만들어 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성했다. 기존 두 종류의 유기반도체 소재로 만든 태양전지의 광전 변환효율은 12.59%였다.

또한 이 유기태양전지는 내구성도 향상됐다. 85도 온도에서 가속화테스트를 진행할 경우 1000시간 성능을 유지한다. 이는 일반적인 환경에서 5년 정도 성능이 유지되는 것을 뜻한다.

손해정 박사는 "추가적인 스케일업을 통해 실제 건물 외벽이나 자동차 등에 적용해 전기를 생산하는 단계까지 후속 연구개발을 진행해보고 싶다"고 말했다.

한편, 연구진은 이번 연구결과를 에너지 분야의 국제학술지 '줄(Joule)'에 최근 발표했다.
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