유기태양전지 상용화 성큼

손해정 KIST 책임연구원. KIST 제공

실리콘 대신 유기물을 재료로 만드는 유기태양전지는 건물 벽면이나 창문에 프린팅 하는 방법으로 설치할 수 있어 도심형 태양광 발전 핵심 기술로 기대를 모은다.

하지만 기존 고효율 유기태양전지의 크기는 0.1제곱센티미터(㎠) 미만에 불과하다. 실제 상용화하려면 이런 단위소자를 직렬로 연결해 면적을 넓혀야 하는데 그 과정에서 성능이 떨어지는 문제가 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 손해정 차세대태양전지연구센터 책임연구원팀이 유기태양전지가 단위소자에서 모듈로 대면적화하는 과정에서 발생하는 성능감소 요인을 규명하고 이를 피할 수 있는 새로운 방식의 유기태양전지를 개발했다고 27일 밝혔다.

연구팀은 유기태양전지가 대면적화 과정에서 효율이 저하되는 원인을 찾기 위해 광활성층에 주목했다. 광활성층은 태양전지 내에서 빛을 받아 전력을 생산하는 역할을 한다.

광활성층은 전하를 운반하는 정공의 수가 전자에 비해 훨씬 많은 'p형 반도체'와, 반대로 전자의 수가 더 많은 'n형 반도체' 소재로 구성된다.

그런데 광활성층을 만드는 공정 중 용매증발 과정에서 p형 반도체의 뭉침이 생겨 불균일한 도메인을 형성할 경우, 결과적으로 p-n 접합의 형태가 필름의 위치에 따라 달라져 태양전지의 효율이 떨어지는 것으로 확인됐다.

연구팀은 p형 반도체의 뭉침 현상을 해결하기 위해 반대의 성질을 가진 n형 반도체 분자를 첨가했다. p형 반도체와 n형 반도체 복합체로 이뤄진 광활성층은 면적을 넓히는 공정 과정에서도 뭉침 현상이 나타나지 않았고 효율도 떨어지지 않았다. 실제로 이런 방식으로 구현한 광활성층은 58.5제곱센티미터 크기에서 14.04%의 광전 변환효율을 보였다. 기존 광활성층을 사용한 50제곱센티미터 이상 면적의 유기태양전지에서 보고된 최대 광전 변환효율 12.59%보다 훨씬 높은 수준이다.

손해정 책임연구원은 "인쇄 공정으로 제작한 유기태양전지의 면적을 넓힐 때 성능이 감소되는 주요 요인을 밝힌 연구결과"라며 "유기태양전지 상용화에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다. 이어 "실제 건물 외벽이나 자동차 등에 적용해 전기를 생산하는 단계까지 후속 연구를 진행하겠다"고 밝혔다. 이 연구는 과기정통부가 지원한 KIST 주요사업과 연구재단 소재혁신선도사업, 나노미래소재원천기술개발사업을 통해 수행됐다. 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 '쥴'에 지난달 23일 발표됐다. 안경애기자 naturean@dt.co.kr