GIST, 고효율 유기 태양전지 모듈 제작기술 개발

유효면적 극대화된 신규 모듈 구조로 태양전지 상용화 앞당겨

하 상 범 기자

광주과학기술원(이하 GIST) 신소재공학부 이광희 교수가 주도하고 강홍규 박사과정 연구원 등으로 구성된 연구팀(이하 연구팀)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐고 연구결과는 지난 3월 15일 재료과학분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼스에 ‘A New Architecture for Printable Photovoltaics Overcoming Conventional Module Limits’란 제목의 표지논문으로 게재됐다.

유기 태양전지 실용화 위한 중요한 성과

최근 3세대 태양전지로 불리는 유기 태양전지가 각광을 받고 있다. 인쇄공정이 가능한 유기 태양전지는 낮은 가격과 높은 유연성을 지녀 앞으로 다가올 유비쿼터스 시대의 이상적인 에너지원으로 여겨지고 있다. 유기 태양전지는 실리콘 또는 화합물 반도체를 주원료로 하는 무기 태양전지와 달리 용액공정이 가능하고 휘어질 수 있어, 다양한 곡면에 부착하는 태양광발전 등으로 응용할 수 있다.

지난 20년간 유기 태양전지를 주제로 활발한 연구가 이뤄져 최근에는 10% 이상의 광전변환 효율을 달성하는 등 상용화 진입 단계에 이르고 있다. 그러나 최근 보고되고 있는 유기 태양전지의 광전변환 효율은 소면적의 단위소자 효율에 국한된 것이 사실이다. 유기 태양전지의 상용화를 위해 대면적 유기 태양전지 모듈 기술개발이 현재 진행 중에 있다.

유기 태양전지의 실용화가 실현되려면 신문을 찍어내듯 연속적으로 유기 태양전지를 생산할 수 있어야 한다. 이를 위해 대면적 기판 위에 작은 태양전지들을 직렬로 연결하는 기술의 확보가 반드시 필요하다.

기존 공정보다 효율성에서 진일보

이광희 교수는 “실생활에서 유기 태양전지를 사용하기 위해선 용도에 맞는 대면적 유기 태양전지가 필요하며, 대면적 유기 태양전지 제작을 위해 대면적 투명전극 위에 대면적 유기 태양전지를 형성하는 것이 가장 이상적인 방법이지만, 기존 투명전극들의 낮은 전도도로 인해 태양전지 구동시 옴 손실이 발생돼 그 효율이 크게 감소된다”고 설명했다. 또한, 모듈 효율 감소와 함께 단위소자를 패턴화하는 과정에서 인쇄공정이 더욱 복잡해지는 단점도 발생한다.

이 교수는 “대면적 투명전극을 옴 손실이 최소화될 수 있는 여러 개의 긴 무늬로 쪼개 그 위에 패턴된 유기 태양전지 단위소자들을 형성하고 이들을 직렬로 연결시키는 모듈 구조를 사용하게 됐다”고 밝혔다.

연구팀은 유기 태양전지 재료 광활성층에 은 나노입자를 첨가해 패턴 없이 유기 태양전지를 제작한 후, 단위소자 사이에 국부적인 전기장을 인가해 금속 필라멘트 나노전극을 형성시켰다. 연구팀은 이 방법을 통해 소면적 유기 태양전지를 직렬로 배열시키는데 성공했다.

이번 연구결과로 소면적 유기 태양전지를 패턴 없이 직접 전극으로 연결할 수 있게 됐다. 이 방식은 직렬연결을 위한 면적 손실을 줄일 수 있어, 유효면적 증가로 소면적 단위소자 효율과 대등한 대면적 모듈 효율을 달성할 수 있다. 연구팀은 “이 같은 태양전지 모듈 제작기술을 이용하게 되면 종전 소면적 단위소자 대비 60~70%의 모듈 효율을 90% 수준까지 향상시킬 수 있다”고 소개했다.

유기 태양전지 공정 단순화에 기여

기존 공정은 소면적 유기 태양전지들을 마이크로미터 간격으로 형성하고 이를 다시 직렬로 연결하는 번거로운 공정이 필요했으며, 직렬연결을 위한 면적의 확보가 필요해 유효면적을 늘리는 데 한계가 있었다. 연구팀에서 개발한 신규 모듈구조 제작방식을 이용하면 기존의 복잡한 인쇄공정을 단순화시킬 수 있으며, 동시에 높은 유효면적을 갖게 되어 고효율의 유기 태양전지 모듈을 제작할 수 있다. 이광희 교수는 “이번 연구결과가 앞으로 대면적 인쇄형 유기 태양전지 상용화에 기여할 것으로 예상한다”고 말했다.

이 교수는 “이번 연구결과는 기존 유기태양전지 모듈제작 방식에서 탈피한 새로운 모듈 제작방식을 제시함으로써 유효면적이 극대화된 새로운 모듈 구조가 가능할 것이며, 인쇄형 유기 태양전지의 상용화를 더욱 앞당기게 될 것”이라고 밝혔다.

그는 “유기 태양전지는 다양한 유비쿼터스 전자기기에 적용할 수 있으면서도 저가의 인쇄공정으로 대량생산이 가능한 차세대 에너지원으로 주목받고 있다”고 강조하면서, “이번에 개발된 유기 태양전지 모듈 제작기술은 유기 태양전지의 모듈 효율을 향상시켜줄 뿐만 아니라 인쇄공정을 더욱더 단순화시켜 유기 태양전지의 상용화를 앞당길 초저가 공정을 실현시켜 줄 것으로 기대한다”고 밝혔다.

광주과학기술원 신소재공학부 이 광 희 교수

“유기 태양전지 수년 내로 실용화 가능할 것”

Q. 이번 연구성과와 기존 연구의 차이점은 무엇인가?

개발한 유기 태양전지 모듈은 기존 모듈과 달리 복잡한 패턴 공정을 획기적으로 단순화 했으며, 또한 유효면적을 극대화해 고효율의 모듈을 달성할 수 있게 됐다.

Q. 연구결과가 사용될 수 있는 분야는?

유기 태양전지는 휘어지기 때문에 건물 벽면에 붙여 발전이 가능할 뿐 아니라, 가볍고 휴대하기 용이해 전기에너지가 필요한 모든 전자소자에 부착해 사용할 수 있다.

Q. 유기 태양전지 실용화는 언제쯤 이뤄질 것으로 보는가?

현재 유기 태양전지의 비약적 발전으로 볼 때, 수년 내로 실용화 가능할 것으로 예상한다. 실용화를 위해 유기 태양전지 모듈을 제작하기 위한 정교한 인쇄공정기술이 요구된다.

Q. 이번 연구를 시작한 계기와 이번 연구에서 가장 중요하게 생각하는 요소는?

기존 유기 태양전지 모듈 구조가 상용화를 저해하는 요인 중 하나라는 점을 깨닫고, 모듈 구조의 원천적 기술개발이 요구된다고 판단해 연구를 시작하게 됐다. 전자소자에 종종 발생하는 누전현상에서 착안해 필라멘트 나노전극 기술을 유기 태양전지의 제작에 응용한 점이 이번 연구에서 가장 특기할 만한 부분이라고 생각한다.

SOLAR TODAY 하 상 범 기자 (st@infothe.com)

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