한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 손해정 차세대태양전지연구센터 박사팀이 유기태양전지 대면적화에서 발생하는 성능감소 요인을 밝히고, 신규 광활성층 고분자 첨가제 소재를 개발해 유기태양전지 대면적화 기술을 개발했다고 9일 밝혔다.
태양전지는 대표적인 청정 에너지원이다. 특히 3세대 태양전지에 속하는 유기태양전지는 프린팅 형태로 제작 후 건물 외벽이나 유리창에 붙여 활용할 수 있어 도심 태양광 발전 핵심기술로 기대를 모은다. 하지만 태양 빛을 흡수해 이를 전력화하는 광활성 영역이 0.1㎠ 이하로 매우 작은 크기에 머물러 있고, 실질적으로 전력 수급이 가능한 면적인 수 ㎡로 확장할 때 발생하는 성능감소, 재현성 문제는 상용화 걸림돌로 여겨진다.
연구팀은 유기태양전지 내 광활성층 조성형태와 유기태양전지 제작과정 중 용액공정에 주목했다. 실험실 연구단계에서 주로 활용하는 용액공정인 스핀 코팅 방법은 기판이 빠르게 회전하면서 용매가 빠르게 증발하기 때문에 광활성층의 균일한 혼합형태를 얻을 수 있다. 하지만 산업용으로 활용 가능한 대면적 연속 용액공정은 태양전지 소재 용액 용매 증발속도가 느려 태양전지 소재의 응집 현상이 나타나 태양전지 성능이 저하되는 원인으로 작용했다.
연구진은 이를 해결하기 위해 응집화가 잘 일어나는 소재와 상호작용해 응집을 막을 수 있는 고분자 첨가제를 개발했다. 고분자 첨가제가 포함된 삼성분계 광활성층(세 종류의 유기 반도체 소재를 섞어 구성한 광 활성층)을 구현했으며 광활성층 내 응집현상을 방지하고 나노 단위에서 구조 제어가 가능해져 태양전지 성능 향상과 동시에 태양전지 가동 중 빛에 의해 상승하는 온도에 대한 안정성을 확보했다.
이를 통해 기존에 대표적으로 쓰이는 이성분계소재와 비교 했을때 보다 성능이 23.5% 이상 향상된 14.7%의 태양전지모듈 효율을 달성했으며, 85도 가열 환경에서도 1000시간 동안 초기효율의 84% 이상을 유지함으로써 효율과 안정성을 동시에 입증했다.
손해정 박사는 “고품질 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심원리를 제안함으로써 유기태양전지 상용화에 가까워졌다”며 “후속연구를 통해 상용화가 이뤄지면 건물 외벽이나 자동차 등에 쉽게 적용해 전기를 자급자족 하는 친환경 발전이 가능하고, 모바일 및 사물인터넷(IoT) 기기 전력 공급원으로 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 연구재단 소재혁신선도사업으로 수행됐으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 'Nano Energy'(IF: 17.881, JCR 분야 상위 4.641%) 최신호에 게재됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
