조만간 유기태양전지가 차세대 플렉시블 휴대용 전자기기의 에너지원으로 활용될 것으로 보인다. 짧은 수명 탓에 유기물로 제작된 태양저지는 상용화가 어렵다는 통념을 깬 연구 결과가 발표됐다.
국내 연구진이 차세대 대체 에너지로 주목받는 유기태양전지의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 이광희 광주과학기술원 신소재공학부 교수가 주도하고 공재민 차세대 에너지연구소 박사가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 선도연구센터지원사업, 광주과학기술원 차세대 태양전지 기술개발사업 등의 지원으로 수행됐다.
이번 연구를 통해 유기태양전지 상용화의 걸림돌이었던 짧은 수명문제를 해결하고 디스플레이나 LED 등 다양한 유기 전자소자의 수명문제가 해결될 것으로 기대된다.
유기태양전지 미래…‘수명문제’에 달렸다
최근 전 세계적으로 화석연료 고갈과 환경오염 문제로 차세대 청정에너지 개발을 위한 연구가 한창이다. 그 중 고분자 유기물을 기반으로 한 유기태양전지는 태양전지에 비해 공정단가가 낮고 자체 유연성 때문에 3세대 태양전지로 각광받고 있다.
최근 10% 이상의 광전변환 효율을 달성하는 등 상용화를 위해 고군분투 중이지만 본격적인 개화를 이루지 못하고 있는 상황이었다. 가장 큰 문제는 기존 무기물 기반 태양전지에 비해 매우 짧은 수명이었다. 짧은 수명은 필요한 적정 수준의 투자 회수기간 확보를 어렵게 만든다.
유기태양전지의 짧은 수명은 소자 제작 후 초기 작동 시 발생하는 효율의 급격한 감소현상(번-인, Burn-in)에 의한 것으로 알려져 왔다. 이에 국내 연구진들은 번-인 손실의 발생 원인을 규명하기 위해 본격적인 연구에 돌입했다.
연구팀은 현상의 원인을 규명하기 위해 전기가 발생되는 광활성 층의 고분자 물질 자체를 탐구했다. 고분자의 분자량 구선 분포를 젤투과 크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography, GPC)를 기반으로 분석함으로써 하나의 광활성 물질 내 다양한 크기의 고분자·저분자 영역이 공존함을 확인했다.
이를 바탕으로 각 영역들을 용해도기반 분류법을 통해 개별적으로 분리, 유기탵양전지 내 발생전류를 가두거나 가로막는 물질이 광활성 원료 내 불순물로 작용하는 저분자 영역대 분자들 이라는 사실을 알아냈다.
연구팀은 곧바로 저분자 영역대 분자들을 선택으로 제거하기 시작했다. 결국 기존 유기태양전지 대비 소자 효율은 40% 이상 향상, 수명은 최대 10년인 고효율 유기태양전지 개발에 성공했다.
이번 연구는 다양한 고분자 기반 유기태양전지의 짧은 수명문제를 근원적으로 해결할 수 있는 실마리를 제공했다는 데 큰 의의가 있다. 향후 태양전지는 물론 유기 디스플레이, 유기 LED 등 유기 전자소자의 짧은 수명문제를 해결할 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.
이번 연구를 주도한 이광희 교수는 “이번 연구를 통해 유기태양전지가 한국의 차세대 플렉시블 휴대용 전자기기의 에너지원으로 널리 활용되길 바란다”며 “하나의 현상을 다양한 관점에서 바라볼 수 있도록 다양한 분야 사람들과 소통한다면 의외로 쉽게 문제를 풀 수 있는 실마리를 찾을 수 있다”고 신진연구자에 대한 조언도 아끼지 않았다.
