차세대 도심형 유기태양전지, 성능감소 원인 찾았다

KIST, 58.5㎠ 면적에서 세계 최고 광전 변환효율 달성
드론·건물 외벽·자동차에 적용 기대 "상용화 한걸음"

(왼쪽부터) 삼성분계 광활성층을 도입한 고효율 유기태양전지 모듈과 삼성분계 광활성층의 균일성, 모듈 성능. 사진=KIST 제공

신재생 에너지원인 '유기태양전지'는 건물 벽면이나 옥상 외장재, 창문 등에 프린팅 하는 방법으로 전력을 얻을 수 있어 도심형 태양광 발전의 핵심기술로 주목 받고 있다. 하지만 현재까지 개발된 고효율 유기태양전지는 0.1㎠ 미만의 단위 소자 수준인데, 이 소자들을 직렬로 연결해 전력을 얻는 과정에서 성능이 감소한다는 문제가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST)은 유기태양전지가 단위소자에서 모듈로 대면적화하는 과정에서 발생하는 주요 성능감소 요인을 규명하고, 고효율 유기태양전지를 구현하는데 성공했다고 27일 밝혔다.

기존의 실리콘 태양전지를 활용한 대규모 발전의 경우 넓은 설치 부지가 필요할 뿐만 아니라, 도심까지 전력을 전달하기 위한 송배전 시스템도 필요하다. 기존 실리콘 태양전지는 전체 태양전지 생산량의 90% 이상을 차지하고 있으나, 도심 속에서 제한된 공간에만 설치할 수 있고 심미성이 낮아 도심 태양광에 적합하지 않다는 평가를 받고 있다.

반면 유기태양전지는 기존 실리콘 전지에 비해 가볍고 투명한 필름 형태로 제작 가능하기 때문에 장소의 제약 없이 색상·디자인을 입혀 유리·벽면 등에 사용할 수 있다. 또 쉽게 충전도 가능해 차세대 도심형 전지로 주목 받고 있다. 하지만 유기태양전지 0.1㎠ 미만 단위 소자들을 수 ㎡ 모듈로 제작하는 과정에서 성능이 감소한다는 문제가 있었다.

KIST 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀은 이를 개선하기 위해 유기태양전지 내 광활성층(전력을 생산하는 층) 형태에 주목했다. 광활성층은 전하 운반자 역할을 하는 정공이 전자보다 많은 p형 반도체와 반대로 전자 수가 더 많은 n형 반도체로 구성된다. 연구팀은 공정 과정에서 p형 반도체의 뭉침(p-형 고분자)으로 태양전지 효율이 저하되는 것에 주목하고, p-형 고분자에 유기적 상호작용을 할 수 있는 n-형 고분자를 첨가하는 방식을 활용했다.

이를 통해 성능감소 요인을 규명하고, 삼성분계 조합을 개발해 58.5㎠ 면적에서 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성하는 데 성공했다.

손해정 박사는 "유기태양전지 상용화에 한걸음 더 가까워졌다"며 "드론, 웨어러블 장비와 같은 소형 기기뿐 아니라 건물 외벽이나 자동차와 같은 넓은 면적의 다양한 시설에 적용해 친환경 발전이 가능할 것"이라고 말했다.

연구결과는 에너지 분야 국제학술지 'Joule'에 온라인 게재됐다.