효율성 1000시간 지속 '차세대 태양전지' 개발

게티이미지뱅크 제공

국내 연구진이 유기 태양전지의 광전환 효율을 1000시간 동안 지속시키는 기술을 개발했다. 태양전지에 활용되는 유기물 반도체의 효율이 낮아지는 원인도 규명했다. 

광주과학기술원(GIST)은 이광희 신소재공학부 교수·김희주 에너지융합대학원 교수 공동연구팀이 단분자를 활용해 유기 태양전지의 수명을 늘리는 방법을 개발, 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스'에 지난 달 31일에 온라인 게재했다고 7일 밝혔다.

유기 태양전기는 유기물 반도체를 광활성 층(빛을 흡수하여 전기를 생산하는 데 핵심 역할을 하는 얇은 층)으로 활용, 다양한 목적으로 이용할 수 있어 '차세대 태양전지'라고 불린다. 다만 유기물 분자들이 열을 받을 경우 이들의 움직임이 많아지면서 전하를 전달하기에 적합하지 않은 상태로 변형, 열 안정성이 낮아진다는 문제가 있었다. 

연구팀은 분자량이 낮은 유기물 분자인 '단분자 유기물' 반도체가 고온 환경에서 산화아연 표면에 있는 불순물과 만날 때 어떻게 손상되는지 관찰했다. 그 결과 유기물의 유동성이 커질수록 산화아연 표면이 더 많이 손상됨을 알아냈으며, 이 손상도가 높을수록 고온 환경에서의 유기 태양전지 효율이 떨어진다는 사실을 확인했다. 

이를 해결하기 위해 연구팀은 극성과 휘발성을 가지는 단분자 유기물인 M-BT(5-Methyl-1H-benzotriazole)를 광활성 층 용액에 혼합해 광활성 층을 코팅했다. M-BT가 혼합된 용액은 산화아연의 표면에서 단분자 유기물이 스스로 얇은 보호층을 형성했다. 이를 통해 산화아연 표면의 불순물이 제거되면서 표면이 손상도가 낮아졌다.

이어 서로 다른 유동성을 갖는 단분자 유기물 반도체 3종류 (Y6, L8BO, DTY6)에 M-BT를 혼합해 광활성 층을 코팅했다. 유동성이 가장 큰 단분자 반도체 'DTY6'에 M-BT를 넣자 표면의 손상도가 획기적으로 줄어들면서 유기 태양전지의 효율이 M-BT를 넣지 않았을 때보다 68% 높아졌다. 효율이 높아졌다는 것은 전지를 더 오랜 기간 사용할 수 있게 됐다는 뜻이다. 기존 유기 태양전지의 효율이 사용 후 20시간이면 15% 감소한 데 비해, 새로 개발한 기술을 적용한 전지는 1000시간이 지나도 효율이 15%보다 적게 감소했다. 

이 교수는 "하나의 단분자를 광활성 층 용액에 첨가하는 것만으로 전자수송 층의 표면을 안정화해 태양전지의 열적 안정성을 크게 향상했다는 데 의미가 있다"면서 "향후 유기 태양전지의 상용화에 큰 도움이 될 것으로 기대한다"라고 밝혔다.

(왼쪽부터) 이광희 교수, 김희주 교수, 이산성 박사과정생

[박건희 기자 wissen@donga.com]