[이달의 연구자] 유기 태양전지로 태양광 발전의 미래를 보다

실리콘 태양전지 단점 보완한 유기 태양전지

현재 상용화된 태양전지는 대부분 실리콘 등 무기물 반도체를 이용해 만든 것이다. 하지만 실리콘 태양전지는 두께가 수십 마이크로미터에 달해 두꺼운 편에 속한다. 때문에 잘 휘어지지 않고 쉽게 부러진다. 가격이 비싸단 단점도 있다. 이에 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 유기 태양전지가 개발됐다. 유기 태양전지의 두께는 수백 나노미터로 실리콘 태양전지에 비해 매우 얇다. 자유자재로 휘어질 수 있으며, 가격 역시 실리콘 태양전지에 비해 매우 저렴하다.

하지만 유기 태양전지에도 맹점이 존재한다. 가격이 저렴하지만 충분한 전력 효율을 낼 수 없다는 것. 효율을 높이기 위해선 많은 양의 태양광을 흡수해 전기로 변환 가능한 소자가 개발돼야 한다. “실리콘 태양전지는 전력효율이 25%를 넘어야 설치 비용보다 높은 이익을 얻습니다. 하지만 유기 태양전지는 그에 비해 가격이 저렴하기 때문에, 15%의 효율만 달성해도 가격 경쟁력을 가질 수 있습니다.” 아직까지 유기 태양전지의 세계 최고 효율은 11%. 최효성 교수는 유기 태양전지의 효율을 높이기 위한 연구를 진행했다.

2개 고분자 사용이 연구의 핵심

유기 태양전지는 한 개의 고분자와 풀러렌(Fullerene)이란 유도체를 섞어 ‘광활성층(Active Layer)’를 만든다. 태양전지의 두 전극 사이에서 빛을 흡수하는 부분이다. 최 교수는 보통의 태양전지와 달리 2개의 고분자를 사용했다. “한 개의 고분자가 가진 단점을 다른 고분자가 보완할 수 있단 점에 착안해 2개의 고분자 결합을 시도했습니다.” 보통의 경우 두 고분자 결합은 각각의 장점을 없앤다는 문제가 있다. 하지만 이번 연구는 서로의 기능을 보완하는 두 고분자를 찾아냈을 뿐 아니라 이들이 최적의 효과를 내는 결합 비율을 발견했다. 그 결과 10.2%의 효율을 달성한 유기 태양전지를 만들었다.

최 교수가 사용한 것은 ‘PTB7-Th’과 ‘PDBT-T1’란 고분자다. 두 고분자는 어떻게 서로의 역할을 보완할까. 빛 파장은 자외선, 가시광선, 적외선으로 나뉜다. 자외선은 5%, 가시광선은 50%, 적외선은 55%의 태양광을 함유하고 있다. 때문에 빛 흡수율을 높여 태양전지의 효율을 올리기 위해서는 적외선 흡수량을 늘려야 한다. PTB7-Th의 경우 주로 근적외선 부분의 태양광을 흡수한다. PDBT-T1은 상대적으로 자외선과 가시광선 부분의 태양광을 더 많이 흡수해 PTB7-Th의 특성을 보완한다. 두 고분자가 시너지 효과를 낼 수 있는 이유다. 최 교수는 “보통 9~10% 정도의 효율에 달하면 고효율 소자라 불린다”며 “10.2% 정도의 효율이면 굉장히 높은 효율을 달성했다고 볼 수 있다”고 했다.

▲ 왼쪽부터 유기 태양전지 광활성층에 사용된 'PDBT-T1'과 'PTB7-Th'고분자 결합 구조, 고분자의 영역별 빛 흡수량 (출처 : 최효성 교수 논문)

미래 책임질 친환경 에너지

최 교수는 앞으로 차세대 에너지 소자 개발, 이산화탄소 절감 기술 개발, 2차 전지 개발 등의 연구계획이 있다. “차세대 에너지원을 개발하면 환경을 보호할 수 있단 것이 연구를 하는 가장 큰 이유죠. 또 머지않아 화석연료가 고갈되기 때문에 대체연료 개발은 필수적으로 이뤄져야 해요.” 태양광발전만으로 모든 에너지를 대체할 수는 없기 때문. 최 교수는 앞으로도 태양광발전을 보완할 또 다른 친환경 에너지원 개발의 꿈을 갖고 있다.
  

▲ 최효성 교수(화학과)는 앞으로도 태양광 발전을 보완할 또 다른 친환경 에너지원 개발의 꿈을 갖고 있다.

글/ 최연재 기자          cyj0914@hanyang.ac.kr (☜ 이 기자의 다른 기사 보기)

사진/ 최민주 기자       lovelymin12@hanyang.ac.kr