한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 9일 이 기관 차세대태양전지연구센터 손해정 박사팀이 유기태양전지의 성능 저하 문제를 해결할 고분자 첨가제를 개발했다고 밝혔다. 3세대 태양전지로 분류되는 유기태양전지는 탄소 기반의 전도성 광흡수 유기재료를 사용하여 만든 태양전지다.
일종의 프린팅 형태로 제작해 건물 외벽 등에 붙여 설치할 수 있어 도심 태양광 기술로 주목받고 있다.
다만 실험실 연구 수준에서 제작하는 유기태양전지는 전기를 생산하는 광활성 영역(photoactive area)이 0.1㎠로 작아, 산업용으로 활용하기 위해 대(大)면적화하는 방법이 연구되고 있다. 하지만 유기태양전지에 보통 산업용으로 활용하는 대면적 용액공정을 적용하기 어렵다는 점이 난제다.
유기태양전지 소재는 용액 상태에서 용매를 증발시키며 굳을 때 소재가 뭉치는 성질이 있어, 제작된 전지의 성능이 떨어지기 때문이다.
이번 연구에서 손 박사 연구팀은 유기태양전지 소재의 응집을 막을 수 있는 고분자 첨가제 'PY-P2'를 개발했다. 연구진은 첨가제를 활용해 삼성분계(세 종류의 유기 반도체 소재를 섞어 구성함) 광활성층을 구현했으며, 14.7%의 태양전지 모듈 효율을 달성했다.
이는 기존의 이성분계(두 종류의 유기 반도체 소재를 섞어 구성함) 소재와 비교했을 때 성능이 23.5% 이상 향상된 수치라고 연구진은 설명했다.
또 85℃ 가열 환경에서 1천시간 동안 초기 효율의 84% 이상을 유지해 효율과 안전성을 입증했다고도 밝혔다. 손해정 박사는 "고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심원리를 제안함으로써 유기태양전지 상용화에 가까워졌다"고 연구 의의를 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 연구재단 소재혁신선도사업으로 수행됐다.
연구 결과는 에너지 분야의 국제학술지 '나노 에너지'(Nano Energy) 최신호에 게재됐다.