태양전지는 대표적인 청정 에너지원입니다. 특히 3세대 태양전지에 속하는 유기태양전지는 프린팅 형태로 제작 후 건물의 외벽이나 유리창에 붙여 활용할 수 있어서 도심 태양광 발전의 핵심기술로 기대를 모으고 있죠. 하지만 태양 빛을 흡수해 이를 전력으로 전환하는 광활성 영역이 0.1㎠ 이하의 매우 작은 크기에 머물러 있습니다. 그래서, 실질적으로 전력 수급이 가능한 면적인 수 m2로 확장할 때 발생하는 성능감소와 재현성 문제는 상용화에 걸림돌로 여겨지고 있습니다. 유기태양전지 (OPV: Organic Photovoltaics)란 유기 반도체 소재를 광 활성층으로 사용하는 태양전지입니다. (1세대태양전지 : 결정질 실리콘 태양전지, 2세대태양전지 : 실리콘 박막, CIGS 및 CdTe 박막 태양전지)
한국과학기술연구원(KIST) 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀은 유기태양전지의 대면적화에서 발생하는 성능감소 요인을 밝히고, 신규 광활성층 고분자 첨가제 소재를 개발해 유기태양전지 대면적화 기술 개발에 성공했다고 전했는데요.
연구팀은 유기태양전지 내 광활성층의 조성형태와 유기태양전지의 제작과정 중 용액공정에 주목했습니다. 실험실 연구단계에서 주로 활용하는 용액공정인 스핀 코팅 방법은 기판이 빠르게 회전하면서 용매가 빠르게 증발하기 때문에 광활성층의 균일한 혼합형태를 얻을 수 있습니다. 하지만, 산업용으로 활용 가능한 대면적 연속 용액공정은 태양전지 소재 용액의 용매 증발속도가 느려 태양전지 소재의 응집 현상이 나타나 태양전지 성능이 저하되는 원인으로 작용했습니다.
연구진은 이를 해결하기 위해 응집화가 잘 일어나는 소재와 상호작용해 응집을 막을 수 있는 고분자 첨가제를 개발했습니다. 결과적으로 고분자 첨가제가 포함된 삼성분계 광활성층을 구현하였으며 광활성층 내 응집현상을 방지하고 나노 단위에서 구조 제어가 가능해져 태양전지 성능 향상과 동시에 태양전지 가동 중 빛에 의해 상승하는 온도에 대한 안정성을 확보했습니다. 이를 통해 기존에 대표적으로 쓰이는 이성분계소재와 비교 했을때 보다 성능이 23.5% 이상 향상된 14.7%의 태양전지모듈 효율을 달성하였으며, 85℃ 가열 환경에서도 1,000시간 동안 초기효율의 84% 이상을 유지함으로써 효율과 안정성을 동시에 입증했습니다.
KIST 손해정 박사는 “고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심원리를 제안함으로써 유기태양전지 상용화에 가까워졌다.”고 말하며, “후속연구를 통해 상용화가 이루어지면 건물 외벽이나 자동차 등에 쉽게 적용해 전기를 자급자족 하는 친환경 발전이 가능하고, 모바일 및 사물인터넷 기기의 전력 공급원으로 활용될 수 있을 것”이라고 기대했습니다.
연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Nano Energy’ 최신호에 게재됐습니다.
논문명 : ‘Important role of alloyed polymer acceptor for high efficiency and stable large-area organic photovoltaics’
