아파트나 빌딩 등 건물 외벽, 창 등에 유기 태양전지를 설치할 날이 머지않았다. 유기 태양전지의 효율과 수명이 높아졌기 때문이다. 그뿐 아니다. 붉은 색, 푸른 색 등 다양한 색상을 띄게 됐다. 눈에 보이는 색상을 미세하게 조절할 수 있게 된 것이다. 건물의 미관까지 살리는 건 덤이다.

응용화학과 고두현 교수 연구팀이 유기 태양전지의 효율을 기존 대비 11% 가량 높이고, 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 빛 흡수층으로 고분자 물질 4가지를 특정 비율로 혼합해 사용하는 방식이다.

연구결과는 <네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)> 1월 16일자에 게재됐다. 연구는 고두현 교수(교신저자)와 한국과학기술원(KIST) 권석준 박사(공동 교신저자)가 주도하고, 남민우, 차민정 박사가 제1저자로 참여했다.

기존 대비 효율 11% 향상, 고온에서 광전 변환 효율 72% 이상 유지
실리콘 등의 무기 물질 대신 유기 물질을 사용해 빛을 흡수하는 유기 태양전지는 생산비용이 저렴하고 가벼우며 다양한 형태로 제작이 가능해 신재생에너지원으로 각광받고 있다. 그러나 무기 태양전지에 비해 효율이 떨어지고 수명이 짧아 상용화에 어려움이 있었다.

유기 태양전지는 태양빛을 받아 생성된 전자를 주는 물질인 ‘도너(donor)’와 태양빛을 받아 생성된 전자를 받는 물질인 ‘억셉터(acceptor)’가 혼합된 유기물질로 만들어진다. 이 유기물질이 빛을 전기로 전환하는 광활성층을 이루며, 두 물질의 계면에서 분리된 전하가 전극에 모여 외부 회로를 통해 전류로 흐르게 되는 원리다.

그러나 이들 물질은 고온에서 불안정하다. 때문에 태양전지 작동 중에도 도너와 억셉터가 지속적으로 분리돼 효율이 낮고, 수명이 짧았다. 이는 유기 태양전지의 상용화를 저해하는 주된 요인이었다.

 

고두현 교수팀은 이를 개선하기 위해 2가지 종류의 고분자 도너(PTB7, PCDTBT)와 2가지 종류의 탄소 원자가 포함된 억셉터 물질(PC71BM, PC61BM)을 특정 비율로 혼합하는 4성분계 벌크 이종 접합 방법을 개발해 광활성층에 적용했다.

이 방법은 빛을 흡수하는 스펙트럼을 넓히고, 물질 간 계면을 증가시켰다. 그 결과 유기 태양전지의 효율이 8.4%로 기존 유기 태양전지(7.6%) 대비 약 11% 향상됐다. 뿐만 아니라 연구팀은 4성분계 유기 태양전지를 섭씨 65도의 비교적 높은 온도에서 보관했을 때, 1년 후에도 초기 광전 변환 효율의 72% 이상 유지되는 것을 확인했다. 기존 유기 태양전지가 불과 한 달 내에 성능이 초기 효율 대비 50%대로 급감한 점을 감안할 때 안정성을 크게 높인 것이다.

건물 미관까지 고려한 창호형 태양전지로 활용
고두현 교수는 “인구가 밀집한 우리나라에서 유기 태양전지 상용화의 관건은 유기 태양전지를 빌딩 등에 장착하는 데 있다”며, “실리콘 태양전지는 무겁고, 지지대 설치비용이 전체비용의 70%인데 반해, 유기 태양전지는 가볍고, 설치가 쉽다”고 연구계기를 밝혔다.

연구에 중점을 둔 부분은 유기 태양전지의 안정성과 색이다. 4성분계 유기 태양전지는 효율과 수명도 향상됐을 뿐 아니라, 사용되는 물질의 흡수 영역 및 물질 간 비율에 따라 색상의 차이를 미세하게 조절할 수 있다.

새로운 물질의 합성이 아닌 기존에 알려진 유기 물질의 새로운 조합을 통해 이루어진 연구여서 향후 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 연구팀은 앞으로 유기 태양전지를 실질적으로 창문이나 건물 외벽에 적용할 수 있도록 연구를 확장시킬 계획이다.

교수와 학생과의 관계를 연구의 가장 중요한 부분으로 꼽은 고두현 교수는 “목적이 뚜렷하고, 성취감이 뛰어난 학생들을 만나 연구가 성공할 수 있었다”고 말했다. 마지막으로 “본인이 하고 싶은 것을 찾아 매진할 때 성취감도 생기고, 좌절의 순간을 딛고 성공할 수 있다”며, “좋아하는 일을 찾으라”고 학생들에게 당부의 말을 전했다.

이번 연구는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구)을 통해 수행됐다.