한국과학자들 차세대 유기 태양전지 신소재 개발

차세대 태양전지 효율을 크게 높일 수 있는 물질이 한국 과학자들에 의해 밝혀졌다.

김영규 영국 임페리얼 칼리지 박사와 이문호 포항공대 포항가속기연구소 박사, 하창식 부산대 교수팀은 공동연구를 통해 유기태양전지 소재인 ‘폴리티온펜 유도체(P3HT) 반도체 박막’을 만들고 그 특성을 규명했다고 16일 밝혔다.

연구팀이 개발한 P3HT 반도체 박막은 전자를 주는 물질인 P3HT와 빛을 받아서 전기로 바꾸는 풀러렌을 결합한 유기반도체이다. 그동안 P3HT와 풀러렌이 혼합된 고분자 재료는 값싸고 범용적인 유기물 태양전지 개발에 적합한 물질로 주목을 받아 왔지만 이 물질에 대한 핵심정보는 제대로 규명되지 않았다.

연구팀은 포항방사광가속기를 이용해 P3HT와 풀러렌이 나노구조로 배열돼 있다는 사실을 최초로 밝혀내고 단위구조를 정확히 배열해 신소재를 개발했다.

P3HT 반도체 박막은 P3HT와 풀러렌을 결합했을 때 두 물질이 맞닿는 면(계면)에 태양빛을 쪼이면 엑시톤이 형성되는 원리를 이용한 것이다. 엑시톤은 전자(-)와 정공(+)으로 분리돼 결과적으로 전류가 흐른다. P3HT 반도체 박막을 이용하면 유기 태양전지의 효율을 세계 최고 수준인 5%까지 올릴 수 있는 것이 가장 큰 장점이다.

5%란 쉽게 말해 빛 양자(Photon) 100개 중 5개를 전기로 바꿀 수 있는 효율로 통상 5%이상이면 상용화가 가능하다고 연구팀은 설명했다. 또 접거나 말 수 있고 플라스틱이나 유리를 기판으로 사용해 제작 공정이 간단하고 가격이 저렴하기 때문에 TFT LCD, 유기EL, OLED 등 휴대용 디스플레이나 전자종이에 사용될 전망이다.

이문호 박사는 “이번 연구로 세계 최고 수준에 이르는 5% 이상의 P3HT 유기 태양전지 효율성을 입증해 보였으며 효율을 10%로 올리는 후속 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 국제저널 네이처의 자매지인 네이처 머티리얼즈(Nature Materials) 3월호에 발표됐다.

조윤아기자@전자신문, forange@