UNIST, 유기태양전지 광전변환효율 11% 돌파

국내 연구진이 11.4%의 광전효율과 1.72볼티지(V)의 높은 개방전압을 보이는 유기태양전지 개발에 성공했다. 기존 튜기태양전지의 효율장벽을 뛰어넘어 제품 상용화가 훨씬 앞당겨질 전망이다.

한국연구재단은 김진영 울산과학기술원(UNIST) 에너지공학과 교수, 진성호 부산대 화학교육과 교수팀이 기존에 넘기 어려웠던 광전효율 11%를 초과 달성한 적층형 유기태양전지를 개발했다고 25일 밝혔다.

유기 공액고분자를 이용한 고효율 적층형 유기태양전지의 개념도
유기 공액고분자를 이용한 고효율 적층형 유기태양전지의 개념도

유기태양전지는 저렴하게 합성할 수 있는 유기 공액 고분자를 필름에 코팅하는 방법으로 만들어 첨단 디스플레이에 널리 쓰인다. 약 100나노미터(㎚)로 얇고 투명하게 만들 수 있다. 주로 상부와 하부의 층에 용액공정을 가해 적층형으로 만드는데, 11%를 넘는 광전변환효율을 보이기 어려웠다. 공정에서 불필요한 오차와 전류 손실이 발생하기 때문이다. 태양전지의 전력량을 높이는 주요 요소인 개방전압도 1.5~1.65V가 일반적이다.

연구팀은 '불소 작용기'를 활용한 유기 공액 고분자를 활용하고, 전지 구조를 최적화해 광전변환효율, 개방전압을 극대화했다. 작용기는 유기화합물에서 전기화학적 성질을 변하게 하는 역할을 한다. 상대적으로 전자가 많은 불소를 작용기로 활용하면 유기태양전지의 개발전압을 높일 수 있다.

연구팀이 개발한 고효율 적층형 태양전지
연구팀이 개발한 고효율 적층형 태양전지

연구팀은 불소 작용기를 도입한 유기 공액고분자로 적층형 유기태양전지의 상부셀, 하부셀 구조를 따로 만들었다. 상부셀은 단파장의 빛을, 하부셀은 장파장의 빛을 흡수하도록 조절해 더 넓은 파장대의 빛을 흡수할 수 있도록 했다. 필수 공정인 열처리 공정에서 성능 저하를 최소화하고, 광학 시뮬레이션 방법을 활용해 최적의 셀 두께 및 형성 전류를 계산·적용했다.

연구팀은 이 기술이 고효율 적층형 유기태양전지의 상용화를 앞당길 기반이 될 것이라고 설명했다. 유기발광다이오드(OLED), 유무기 하이브리드 태양전지 등 적층 구조의 소자의 효율을 높이는 연구에도 활용할 수 있다.

김진영 교수는 “기존 적층형 유기태양전지가 가진 문제점을 보완하고 11% 이상의 고효율화에 성공했다”면서 “더 높은 효율의 전지 개발, 제품 상용화에 한 발짝 더 다가설 수 있게 됐다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com