GIST, 고투과·고효율 ‘반투명 태양전지’ 개발

- 투명도 37.5%, 발전 효율 10.7% 동시 달성
- 창문·건물 외장재·차량 유리 등 실용화 가능

강홍규(왼쪽부터) GIST 차세대에너지연구소 책임연구원, 이광희 신소재공학과 교수, 오주희 석박통합과정생, 김주현 박사.[GIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 광주과학기술원(GIST)은 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원과 신소재공학과 이광희 교수 공동연구팀이 차세대 반투명 유기태양전지(ST-OPVs)의 투명도와 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있는 원천 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 성과는 기존처럼 복잡한 다층 구조에 의존하지 않고, 단순한 소자 설계로 투명도와 발전 효율을 모두 확보할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시한 것으로, 반투명 유기태양전지가 실제 응용 가능한 차세대 에너지 기술임을 입증했다.

유기태양전지는 가볍고 유연하며 용액 공정을 통한 대량 생산이 가능해 건물 일체형 태양광 발전(BIPV), 차량용 태양광(VIPV), 휴대용 전자기기 등 다양한 응용이 가능한 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 특히 반투명 유기태양전지는 가시광선을 투과시키고 근적외선 영역만을 선택적으로 흡수해 전기를 생산하기 때문에 ‘태양광 창문’처럼 활용할 수 있다.

그러나 지금까지는 반투명 구조의 특성상 투명도(AVT)를 높이면 발전 효율(PCE)이 떨어지고, 발전 효율을 높이면 투명도가 줄어드는 상충 관계 때문에 두 성능을 동시에 만족시키는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해, 가시광선을 흡수하는 소재인 전자주개의 함량을 줄여 투명도를 높이고, 대신 전기 흐름이 원활히 이어지도록 돕는 정공 수송 첨가제(Me-4PACz)를 도입했다.

이 첨가제는 태양전지의 광활성층 내부에 고르게 퍼져 있으면서 동시에 전극 표면에 전류가 잘 흐를 수 있는 얇은 층인 홀 전송층(HTL)을 스스로 형성하는 특성이 있다. 이를 통해 전기가 이동하는 길(전하 이동 경로)이 최적화되고 불필요한 손실이 줄어들어, 높은 투명도와 발전 효율을 동시에 확보하는 데 성공했다.

실제 성능에서도 의미 있는 성과를 거뒀다. 연구팀은 평균 가시광선 투과율(AVT) 37.53%, 전력 변환 효율(PCE) 10.7%를 달성했다. 또한 두 지표를 종합 평가하는 광 이용 효율(LUE)에서도 최고 수준인 4.01%를 기록, 동일 조건 내 반투명 유기태양전지 중 최상의 성능을 구현했음을 입증했다.

강홍규 책임연구원은 “이번 연구는 반투명 유기태양전지 분야의 오랜 숙제였던 투명도–효율 간 상충관계를 해소했다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 건축물 창호나 차량 유리 등 투명 구조물과 결합한다면, 도시의 친환경 에너지 자립에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 전망했다.

이광희 교수는 “이번 성과는 단순한 소재 개선을 넘어, 소자의 계면과 내부 영역을 동시에 제어할 수 있는 새로운 접근법을 제시한 것”이라며 “첨가제가 스스로 계면에 정공 수송층을 형성하고 동시에 광활성층 내부에서 전하 손실을 억제해 성능을 크게 향상시켰다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 에이’에 게재됐다.