한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 약한 빛에도 효과적으로 전기를 만들 수 있는 신소재를 개발했습니다. 연구팀은 태양전지에서 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층 소재를 사용해 고효율의 유기태양전지를 개발했다고 밝혔습니다. 해당 연구 논문은 <ACS Energy Letters>에 게재됐습니다.
- 광흡수층?
태양빛을 흡수해 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극 사이의 층을 말합니다.
- 유기태양전지(Organic photovoltaics)?
탄소 기반의 전도성 광흡수 유기재료를 사용해 만든 태양전지를 말합니다.
태양전지, 햇빛에 구속되지 않으려면?
태양전지는 미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡고 있는데요. 태양전지는 날씨와 환경에 구애받지 않고 발전할 수 있는 태양전지 기술을 개발할 필요가 있습니다. 특히 기존에 상용화된 태양전지의 경우 흐린 날씨나 햇빛이 약한 아침과 저녁에는 발전량이 급격히 감소하는 단점이 존재했는데요. 그 때문에 발전할 수 있는 기간과 시간대가 한정적이고 지속적인 전원 공급이 힘들다는 제약이 있었죠.
유기태양전지의 경우 적은 양의 햇빛에도 효과적으로 전기에너지를 만들 수 있다고 알려져 있습니다. 유기태양전지는 특히 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층의 소재를 다양하게 디자인할 수도 있는데요. 덕분에 소재 개발을 통해 흐린 날에도 태양광 발전량을 향상시킬 수 있습니다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 소재 디자인의 원리에 대한 이해도가 낮고 적합한 소재를 찾지 못해 고효율의 안정적인 유기태양전지를 개발하지 못하고 있는 실정입니다.
KIST 연구진은 기존의 세계 최고 수준의 유기태양전지용 고분자(PBDBT-2F) 소재에 염소와 황 성분을 도입했습니다. 개발된 신소재(신규 고분자 PBDBT-SCl)는 약한 빛에도 효과적으로 전기에너지 생산이 가능합니다. 또한 구조 제어를 통해 생성된 전기의 손실을 최소화할 수 있도록 했죠. 연구진은 개발된 신소재를 적용한 대면적 유기태양전지 모듈을 제작했습니다. 제작한 모듈은 평상 시 맑은 날뿐만 아니라 흐린 날에도 효과적으로 발전한다는 사실이 실험을 통해 확인했습니다.
개발된 신소재는 태양광의 1/10 수준인 조건에서 기존 소재에 비해 30% 향상된 성능(13.23%의 효율)을 보였습니다. 태양전지 모듈의 경우 실내조명인 형광등(500 lx)을 광원으로 사용했을 때도 약 38% 향상된 효율(21.53%)로 전기를 생성할 수 있었죠.
특히 기존에 알려진 세계 최고 효율의 고분자보다 26% 어두운 빛의 환경(3700 lx)에서도 동일한 전력을 생산할 수 있는 높은 효율성을 보였습니다. 이러한 저조도 환경에 최적화된 태양전지는 향후 적은 전력으로 구동할 수 있는데요. 상시 전력 공급이 필요한 스마트 팜이나 사물 인터넷(IoT) 센서 등에도 적용할 수 있다고 합니다.
- 태양광?
맑은 날 태양빛이 최고조인 상태(1 Sun)를 말합니다. 보통의 실내조명은 태양광보다 500배 낮은 200lx 수준입니다.
이번 연구를 주도한 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 밝혔습니다.
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