[기계신문] 미래의 친환경 에너지원으로 주목받는 태양전지에는 실리콘, 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS), 페로브스카이트, 유기태양전지 등이 있으며, 기존에 상용화가 된 결정질 실리콘 태양전지의 경우 1년 동안 발전할 수 있는 기간과 시간대가 한정적이며 지속적인 전기공급이 힘들다는 단점이 있다.
하지만 유기태양전지는 수백 나노미터 수준의 박막형으로 광흡수층이 형성되기 때문에 미량의 광 흡수에도 효과적인 전기에너지로 변환할 수 있으며, 이러한 특성은 흐린날이나 태양 빛에 비해 매우 약한 실내조명에서 에너지를 흡수하여 전기를 생산하기에 유리한 구조의 태양전지로 알려져 있다.
유기태양전지는 용액공정 기반의 Roll-to-Roll과 같은 대면적 인쇄기술로 제작할 수 있어 가볍고 기계적으로 유연한 소자를 제작할 수 있으며 사용되는 유기 광활성 재료는 실리콘보다 높은 흡광계수와 밴드 갭 조절이 용이하다.
따라서 미량의 빛에도 효과적으로 발전이 가능한 소재 개발을 통해 태양광 발전량을 증가시킬 수 있다. 하지만 이제까지 그 중요성이 인정되면서도 고감도 유기태양전지 고분자 소재 개발은 소재 디자인 원리에 대한 이해도가 낮으며 개선하기 위한 연구가 많이 진행되지 않았다.
최근 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사 연구팀이 약한 빛에도 효과적으로 전기를 만들 수 있는 신소재를 개발하는 데 성공, 이를 태양전지에서 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층 소재로 사용해 고효율의 유기태양전지를 개발했다. 이때 광흡수층은 태양빛을 흡수하여 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극 사이의 층을 말한다.
연구팀은 흐린 날과 같은 저조도 환경에서 미량의 빛에서도 우수한 광전변환 효율을 나타내는 고분자를 개발하였고, 재료의 저조도 성능을 위한 메커니즘을 제안했다. 또한, 대면적 모듈을 제작하여 실제 실내조명에서 특성을 확인했다.
이 유기태양전지는 실내 광원과 같은 저조도의 빛에서 다른 태양전지에 비해 상대적으로 유리한 특성을 가지며, 소규모 저전력 실내 전자 장치와 통합하거나, 무선 연결된 사물인터넷(IoT) 장치에 전력을 공급하는 실내용 태양광발전 장치로써 유리하다.
발광 다이오드(LED) 및 형광(FL) 램프와 같은 실내조명의 경우, 일반적인 1 Sun의 태양광보다 500배 낮은 200lx 밖에 되지 않으며, 그로 인해 줄어든 광전류를 생성하게 된다. 따라서 저조도인 실내조명에서 효과적으로 전류를 생성하기 위한 실내조명용 유기 태양전지용 광활성 재료를 만드는 연구가 필요하다.
연구팀은 기존의 세계 최고 수준의 유기태양전지용 고분자(PBDBT-2F) 구조에서 곁사슬에 염소와 황을 도입하여 새로운 고분자 소재인 PBDB-TSCl를 합성하여 저조도부터 1 Sun의 광량에서도 효과적으로 전기에너지를 생산하는 고분자를 개발했다.
실험 결과, PBDBT-2F와 비교하여 신규 고분자 PBDBT-SCl은 기존의 1 Sun 조건에서 약간 더 좋은 결과를 보였으나, 0.1 Sun의 저조도 조건에서는 태양전지 특성이 30% 향상되어 13.23%의 효율을 얻었으며, 실내조명(500lx, 형광등)에서는 38% 향상되어 21.53%의 효율을 얻었다.
추가적인 연구를 통해 저조도에서 성능이 향상된 이유를 확인한 결과, 고분자가 빛을 받은 후에 여기되면 분자의 쌍극자 모멘트의 변화가 일어나며 이 변화가 클수록 저조도에서 고분자의 전하 생성이 효과적으로 되는 것을 확인했다.
또한, 신규 고분자는 기존 고분자와는 반대로 증가한 결정성으로 인해 광흡수층 박막을 형성할 때 상 분리가 크게 일어났으나 효과적으로 전하가 생성됨을 확인할 수 있었고, 큰 상 분리 덕분에 전하 수송 특성과 소자의 저항 특성이 개선되어 저조도에서 높은 충전율(Fill factor)을 통해 광전변환효율이 크게 증가했다. 또한, 신규 고분자는 100℃에서 34시간 동안 기존 고분자가 적용된 유기태양전지에 비해 더 높은 열 안정성을 나타냈다.
이번 연구는 실내조명에서와 같은 저조도에서 고성능의 유기태양전지를 만들기 위한 재료의 조건에 대한 지침으로 적용될 수 있을 것이며, 엑사톤 분리 특성이 높으며 높은 충전율을 얻을 수 있는 광흡수층 박막을 형성하는 전도성 고분자의 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
KIST 손해정 박사는 “이번 성과는 우리나라와 같이 미세먼지 등으로 흐린 날이 많은 저조도 환경에서 효과적으로 발전할 수 있는 유기태양전지용 소재의 핵심기술 개발에 기여했다”며 “향후 지속적인 추가연구를 통해 세계 태양광 시장에서 차세대 태양전지 핵심 소재를 조기에 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ 표지논문으로 선정되어 게재될 예정이다.
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