국내 연구진이 실험실에서 작은 크기로 개발되던 '유기 태양전지'(organic photovoltaics)를 더 크게 만들면서도 고효율을 유지하는 데 성공했다.

유기 태양전지는 탄소, 수소, 산소, 질소 등으로 이뤄진 전도성 유기 소재를 광 흡수 재료로 사용하여 만든 태양전지를 뜻한다. 페인트처럼 만들어 필름으로 제작하거나 건물, 자동차 등 원하는 공간에 칠하는 방식으로 태양전지를 구현할 수 있다.

27일 한국과학기술연구원(KIST)은 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀은 유기 태양전지를 용액공정으로 크게 만들 때 성능이 감소하는 원인을 밝히고 고효율 유기 태양전지를 기존보다 훨씬 넓은 면적으로 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

KIST에 따르면 현재까지 학계에 보고된 고효율 유기 태양전지는 실험실 수준에서 개발된 0.1㎠ 미만의 좁은 면적에 그치고 있으며, 이를 넓은 면적으로 개발했을 때 성능이 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 유기 태양전지를 크게 만들 때 광활성층(태양전지 구조에서 빛을 받아 전력을 생산하는 층)을 형성하는 공정에서 태양전지의 효율이 저하되는 것을 확인했다.

공정 과정에서 증발이 빠른 용액을 활용하는데, 용매가 증발한 뒤 박막 표면의 형태(모폴로지)가 불균일해지고 결과적으로 낮은 성능으로 이어졌다.

이에 연구팀은 광활성층을 구성하는 소재인 p형 고분자 반도체 소재와 잘 섞이는 n형 고분자 소재를 첨가했는데, 이때 전자 수송 능력이 향상되는 것을 확인했다.

연구팀에 따르면 기존의 유기 태양전지에서는 주로 p형 고분자와 n형 고분자 두 가지가 혼합된 이성분계 광활성층이 사용됐다.

여기에 새로운 n형 고분자를 더 첨가해 만든 연구팀의 삼성분계 광활성층은 넓은 면적에서 균일한 모폴로지와 결정성을 보였다.

연구진은 이런 방식으로 58.5㎠ 면적에서 세계 최고 수준인 14.04%의 광전 변환 효율(power conversion efficiency)의 유기 태양전지를 만드는 데 성공했다.

손 박사는 "유기 태양전지를 대규모 모듈화할 때 성능이 감소하는 주요 요인을 밝혀 유기 태양전지 상용화에 한 걸음 더 가까워졌다"며 "규모를 확대해 실제 건물 외벽이나 자동차 등에 적용해 전기를 생산하는 단계까지 후속 연구개발을 진행해보고 싶다"고 밝혔다.