[과학을 읽다]넓은 면적 높은 효율…태양전지 개발

화학연과 포스텍 공동연구

▲서브모듈용 유기태양전지와 전류-전압 곡선.[사진제공=화학연구원]

[아시아경제 정종오 기자] 가볍고 유연한 유기태양전지 상용화에 한 발짝 다가설 수 있는 가능성이 열렸습니다. 한국화학연구원(원장 이규호)과 포스텍(총장 김도연) 연구팀이 상용화에 가까운 넓은 면적에서도 높은 효율을 내는 신규 유기 태양전지 소재를 개발했습니다.

유기태양전지는 유기 반도체 소재를 이용해 태양광을 전기로 바꾸는 차세대 태양전지를 말합니다. 필름처럼 얇고 가볍고 휘어지는 성질을 가져 다양한 용도에 활용할 수 있습니다. 휴대용 웨어러블 기기, 아웃도어 제품 등에 부착해 전기 콘센트가 없어도 외부 활동할 때 쉽게 충전할 수 있죠. 색상과 디자인을 입힐 수 있어 인테리어 내장재, 건물 외벽 등에도 쓰일 수 있습니다.

전 세계적으로 유기태양전지의 상용화를 위한 소재 개발 연구가 진행되고 있습니다. 대부분 단위셀(0.1㎠ 이하) 규모 이하의 연구에 그치고 있는 실정입니다. 유기태양전지의 상용화를 위해서는 실험실 수준의 단위셀뿐 아니라 대면적(100㎠ 이상)에서도 효율과 성능이 높아야 합니다.

연구팀은 유기태양전지 구조내에서 태양광을 직접 흡수하는 광활성층에 신개념 단분자 소재를 도입해 효율과 성능을 높였습니다. 광활성층이란 유기태양전지 다층 소자 구조에서 태양광을 직접 흡수하는 가장 중요한 층으로 고분자(분자량이 보통 1만 이상의 거대 분자로 분자량이 일정하지 않다.) 단분자(고분자에 비해 분자량이 작은 물질로 분자량이 일정함), 플러렌(fullerene) 등의 유기 반도체 소재가 혼합돼 있는 층입니다.

이번 기술은 상용화에 가까운 모듈(10X10㎠)에서도 7.45%의 높은 효율을 기록했습니다. 기존 단분자 구조의 단점을 개선한 새로운 구조로 성능을 높였습니다.

화학연구원 이상규·이종철 박사와 박태호 교수(포항공대 화학공학과)가 공동 수행했습니다. 연구 결과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 (Advanced Energy Materials)지 최신호 6월 22일자) 내부 표지 논문(논문명: High-Performance Small Molecule via Tailoring Intermolecular Interactions and its Application in Large-Area Organic Photovoltaic Modules)에 실렸습니다.

이상규 박사는 "이번에 개발한 새로운 단분자 소재는 단위셀과 대면적 모듈에서 기존 소재에 비해 월등히 우수한 효율과 성능을 유지했다는 데 의미가 있다"고 말했습니다. 박태호 교수는 "이번 연구에 사용된 신규 단분자의 경우 첨가제 없이도 단위셀과 대면적 모듈에서 높은 효율을 달성해 단분자 유기태양전지에서의 높은 안정성을 달성할 수 있는 중요한 연구결과"라고 강조했습니다.