울산과학기술대학교, 태양전지 에너지 전환효율 향상기술 개발

유기 고분자 태양전지 상용화 위한 에너지 전환율 10% 근접

김 미 선 기자

상용화된 기존 무기 실리콘 태양전지가 지닌 고가 제조비와 제조 공정에서 발생하는 환경오염 물질 등의 문제점을 해결하기 위한 대안으로, 최근 저가의 유기 태양전지가 각광받고 있다. 그 중에서도 고분자 태양전지(Polymer Solar Cell : PSC)는 가격 경쟁력, 공정의 유연성 및 응용 가능성이 매우 높아 유기 태양전지의 주류를 이루고 있다.

울산과기대(UNIST) 김진영 교수, 박수진 교수, 최효성 박사과정(제1저자)을 중심으로 한 국내 연구팀과 충남대는 고분자 태양전지 에너지 전환율을 기존 7.4%보다 20% 향상된 8.9%까지 끌어올리는 기술을 공동 개발했다. 이 기술은 지난 4월 말 나노과학 분야의 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’지 온라인 판에 게재됐다.

무한한 태양빛을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로서, 최근 전 세계적으로 저렴하면서도 효율이 높은 차세대 태양전지를 개발하고자 노력하고 있다.

현재 상용화되고 있는 실리콘 박막을 이용한 태양전지의 경우 고효율과 생산 안정성으로 주목받고 있지만, 높은 생산단가에 비해 유연성이 떨어지는 것이 사실이다. 그 반면, 유기 고분자 태양전지는 제작 방법이 간단하면서도 얇은 박막으로 저렴한 제조 단가로 제작할 수 있을 뿐 아니라, 유연하게 제작할 수 있는 등 무게나 두께, 형태 등의 제약이 적어 다양한 분야에 적용이 가능하지만, 효율성이 낮아 상업화에는 큰 어려움을 겪어 왔다.

이 같은 상황 하에서 울산과기대 김진영 교수와 박수진 교수가 참여한 공동 연구팀은 자체 개발한 실리카로 코팅된 은 나노입자(Silica-Coated Silver Nanoparticles, Ag@SiO2)를 태양광 흡수를 극대화시키는 활성층에 코팅함으로써 높은 효율을 가진 고분자 태양전지 개발에 성공했다.

고분자 태양전지에는 양극과 음극 사이에 빛에너지를 전기로 전환하는 활성층이 있는데, 태양전지의 효율 향상을 위해 양극과 활성층 사이에 전자수송층을 넣기도 한다. 유기 태양전지는 고분자가 태양광을 흡수해 엑시톤(Exiton)을 형성하고, 이후 엑시톤에서 분리된 전자를 전자받개로 전달해, 분리된 전자와 정공이 각각 전극으로 이동하는 3단계의 작동 원리를 거친다. 이 연구팀은 활성층에서의 태양광 흡수를 극대화시키는 방법으로 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance) 현상을 이용했다.

은, 금, 구리, 백금을 포함한 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 고효율 고분자 태양전지를 개발하려면, 금속 나노입자와 광 활성층 사이의 거리 조절이 중요하다. 나노입자와 광 활성층 사이의 거리가 너무 가까워지면 에너지 소실(엑시톤 손실)이 일어나고, 반대로 너무 멀어지게 되면 금속 나노입자의 플라즈몬 공명에 의해 발생된 전자기장 에너지가 감소돼 이를 이용하지 못하게 된다. 지금까지는 고분자 태양전지 분야에서 금속 나노입자와 광 활성층 사이의 거리에 따른 영향성에 대한 연구가 행해지지 않았다.

김 교수팀은 은 나노입자에 실리카를 코팅함으로써 기존의 금속 나노입자와 광 활성층의 접촉에 의한 에너지 소실 문제를 해결했으며, 나노입자를 정공수송층 위아래로 각각 도입해 나노입자와 광 활성층 사이의 거리에 따른 태양전지 특성 변화를 관찰하는 데 성공했다.

또한, 나노입자에 의한 전자기장 강화에 따른 광흡수 및 광산란 특성을 고분자 태양전지에 적절하게 이용함으로써 8.92%의 효율을 갖는 고분자 태양전지를 개발할 수 있었다.

김진영 교수는 “이번 연구 성과는 모든 박막 태양전지에 적용 가능한 원천 기술로, 차세대 고효율 태양전지 개발을 선도하는 국가들과의 격차를 줄인 획기적인 기술”이라며, “이번 기술을 이용하게 되면 얇으면서도 효율이 높은 박막형 태양전지의 상용화를 앞당겨, 앞으로 휴대폰이나 노트북 등 소형 가전이나 휴대용 전자기기에 사용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진 중인 육성사업(WCU)과 기후변화대응기술개발사업, 한국에너지기술평가원이 지원하는 에너지 국제 공동 연구로 수행됐다.