[Industry News 최홍식 기자] 태양광발전에 대한 인식이 변화하고 그 수요가 늘어나면서 고효율 고성능 기술 장비에 대한 연구개발도 활발하게 이뤄지고 있다. 특히 태양광발전에 있어 가장 중요하다고 할수 있는 태양전지에 대한 연구개발은 더욱 깊이 있게 진행되고 있다. 한국연구재단은 최근 울산과학기술원 김진영 교수와 부산대 진성호 교수 연구팀이 고효율 적층형 유기태양전지를 개발해 태양광 업계의 이목이 집중되고 있다고 밝혔다.

울산과학기술원 김진영 교수와 부산대 진성호 교수 연구팀이 개발한 고효율 적층형 태양전지 사진 [사진=한국연구재단]

김진영 교수와 진성호 교수(이하연구진)팀이 이번에 개발한 유기태양전지는 1.72V의 높은 개방전압과 11.4%의 광전 변환 효율을 달성한 적층형 유기태양전지다. 개방전압은 태양전지에서 출력할 수 있는 최대의 전압으로서 태양전지 성능을 결정하는 중요 요인 중 하나다. 광전 변환 효율은 태양광을 전기로 변환하는 비율을 말하며, 일반적으로 11% 이상일 경우 고효율이라 한다. 

태양전지 가운데 유기태양전지는 1990년대 미국 히거 교수팀에서 처음 보고한 이후 단기간 동안 활발한 연구로 많은 발전을 이뤄왔다. 유기태양전지는 전도성 유기 고분자를 기반으로 제작된 태양전지로서 낮은 제조비용과 소자 유연성 등의 장점을 갖고 있어 현재까지 활발한 연구가 이뤄지고 있는 분야다.

울산과학기술원 김진영 교수 [사진=한국연구재단]

부산대학교 진성호 교수 [사진=한국연구재단]

적층형 유기태양전지, 2007년 처음 발표 후 지속적으로 연구 개발
연구진은 2007년 국제학술지 사이언스에 적층형 유기태양전지를 처음 개발 발표하고 지속적인 연구 개발을 진행해왔다. 현재까지 3,300회 이상 인용되는 등 관련 학계에서 많은 관심을 받아왔다. 적층형 유기태양전지는 용액공정이 가능해 비교적 간단한 장비로 제작이 가능하고 높은 개방전압을 나타내며, 광흡수 손실을 줄여 효율 향상을 이끌어 낼 수 있는 장점이 있다. 그러나 복잡한 소자 제작과정과 구조적 제한 요소로 인해 11% 이상의 고효율 소자에 대한 개발 보고는 매우 제한적이었다. 

기존 적층형 유기태양전지는 용액 공정상 이뤄지는 불필요한 전류 손실 때문에 11% 이상의 고효율의 광전변환효율을 달성하기 어려웠다. 또한, 태양전지의 성능을 좌우하는 개방전압이 1.50~1.65V가 일반적이었다. 

제1저자인 송세영 박사과정 연구원이 연구실에서 실험장비를 이용해 스핀코팅 방식의 용액공정으로 유기태양전지를 제작하고 있다. [사진=한국연구재단]

10년 연구 끝에 고효율 적층형 유기태양전지 개발 성공
이에 연구진은 그동안 적층형 유기태양전지의 제작과정과 소자 특성을 다방면으로 분석해 최적화하는 연구를 진행해왔으며, 10년의 연구개발 끝에 불소(F)작용기를 도입해 유기 공액 고분자를 개발하고 각 구성요소의 최적화를 통해 11.4%의 광전변환효율과 이례적으로 높은 1.72V의 개방전압을 달성했다.

연구진이 개발한 유기 공액 고분자들은 열 안정성이 뛰어나고 넓은 밴드갭(전자가 있는 최상위단 에너지준위와 전자가 없는 최하단 에너지준위 차이)을 가졌으며, 적절한 에너지 준위로인한 높은 개방전압이 확인돼 정구조 적층형 유기태양전지의 하부셀로 사용했다.

이와 반대로 좁은 밴드갭의 공액고분자를 하부셀로 이용하면 모든 빛이 하부셀에서 흡수되고 상부셀로는 빛이전달되지 않아 상부셀에서는 광전류가 거의 생성되지 않게 된다. 넓은 밴드갭의 유기 공액고분자는 들어오는 빛 가운데 700㎜까지의 단파장 영역을 흡수하며, 장파장 및 투과된 빛은 800㎜까지 흡수가 가능한 좁은 밴드갭의 상부셀이 흡수했다. 그 결과 상·하부셀의 전류 일치율이 높아졌고, 상호 보완적인 파장대의 빛 흡수를 통해 보다 넓은 영역의 태양광 스펙트럼을 이용할 수 있게 됐다.

상용화 앞당기는 성과 창출, 다양한 영역 활용 가능

연구진의 이번 성과는 적층형 유기태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 기반을 마련한 것으로 평가받고 있다. 이번 연구를 통해 개발된 고개방전압·고효율 적층형 유기태양전지는 기존 소자 제작과 구조적 측면에서 발생하는 문제점을 분석하고 해결했다. 뿐만 아니라 다방면 접근을 제시함으로써 적층형 OLED, 적층형 유무기 하이브리드 태양전지의 효율 향상에 도움이 될 것으로 예상된다.

좁은 밴드갭 유기 공액고분자를 이용한 고효율 적층형 유기태양전지 [사진=한국연구재단]

적층형 유기태양전지는 저렴하게 합성 가능한 유기 고액 고분자를 유연한 필름 등에 코팅하는 용액공정 방법으로 제작한다. 이 때문에 두루마리형 디스플레이와 입는 컴퓨터 등 휴대용 전자기기에 널리 쓰일 수 있다는 장점이 있다. 특히 유사한 형태의 페로브스카이트 태양전지와 비교하면 소자 제작이 간단하고, 약 100m 정도의 얇은 박막으로 반투명하게 만들 수 있어 다양한 상품에 적용 가능할 것으로 전망된다.

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