국내 연구진이 차세대 태양전지로 꼽히는 ‘유기태양전지’의 발전 효율을 크게 높이는 기술을 개발했다. 고효율 태양전지를 신문 인쇄하듯 손쉽게 찍어낼 수 있어 차세대 도심형 태양광 발전 활성화에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다.
손해정 한국과학기술연구원(KIST) 박사팀은 ‘유기태양전지’ 공정 과정에서의 주요 성능감소 요인을 규명하고, 이를 기반으로 고효율 모델을 제작하는데 성공했다고 26일 밝혔다.
유기태양전지는 ‘메로시아닌’ 등 여러가지 유기물 재료로 제작하는 태양전지다. 유기물 재료는 값이 저렴해, 기존 실리콘 기반 무기태양전지 대비 가격 측면에서 우수하다. 제작 방식도 프린팅하듯 찍어내는 방식이라 편리하다. 때문에 건물 벽면이나 옥상의 외장재, 창문 등에 쉽게 적용할 수 있어 도심형 태양광 발전의 핵심기술로 주목받는다.
하지만 대량 전력 생산을 위한 대형 모듈 제작 과정에서 발생하는 성능감소와 재현성 문제가 상용화의 걸림돌이 되고 있다. 유기태양전지가 사용 가능한 수준의 전력을 얻기 위해서는 ‘단위 소자’들을 직렬로 연결해 수 ㎡ 크기의 모듈로 만들어야 한다. 하지만 현재까지 개발된 유기태양전지 단위 소자는 0.1㎠미만의 좁은 면적뿐이다.
이 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 유기태양전지 내 ‘광활성층’ 형태에 주목했다. 광활성층은 태양전지가 태양 빛을 흡수한 후, 이를 전기로 바꾸는 층이다. 이 층은 p형과 n형의 반도체 소재로 구성되는데, 공정 과정에서 p형 반도체 소재가 뭉치는 현상(p-형 고분자)이 발생할 수 있다. 이렇게 되면 p형 반도체와 n형 반도체가 접합되는 부분 위치에 이상이 생겨 태양 전지효율이 크게 저하된다.
이때 연구팀은 광활성층 나노구조의 높은 균일도가 대형 유기태양전지 제작 시 효율 손실을 최소화 할 수 있는 핵심 요인임을 밝혀냈다. 이를 기반으로 p-형고분자에 유기적 상호작용을 할 수 있는 n-형 고분자를 첨가해 광활성층을 제작했다. 그 결과, n-형 고분자가 p형 고분자 반도체와 합금의 형태로 복합체인 ‘삼성분계 광활성층’을 만드는데 성공했다. 또 p형 고분자 반도체 도메인 크기를 넓은 면적에도 규칙적으로 제어하는데도 성공했다.
연구팀이 이 방식을 활용해 유기태양전지를 제작했다. 그 결과, 58.5㎠ 면적에서 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환효율을 달성하는데 성공했다. ㎛(나노미터) 수준의 극소한 영역에서부터 ㎝(센티미터) 수준의 넓은 영역까지 균일한 삼성분계 광활성층을 구현하는데 성공한 것이다.
손해정 박사는 “이번 연구로 유기태양전지의 성능 감소 주요 원인이 밝혀지면서 상용화에 한걸음 더 가까워졌다”며 “건물 외벽이나 자동차 등에 적용해 전기를 생산하는 단계까지 후속 연구개발을 진행하는 것이 목표”라고 말했다.
이번 연구 성과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘줄(Joule)’ 온라인판에 8월 23일자로 게재됐다.