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■ 토종기술로 효율성 높인 ‘유기 태양전지’

- KIST 손해정 연구팀
기존소재보다 성능 30%향상
생성된 전기 손실도 최소화
IoT·스마트팜 적용 새장 열어

- IBS 이영희 연구진
2차원 전이금속 ‘칼코젠’ 합성
태양전지 효율 33 → 46%로

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태양전지 효율을 높이는 새로운 기술을 한국 연구진이 잇따라 선보였다. 한국과학기술원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 실내조명처럼 약한 빛으로도 고효율의 전기 생산이 가능한 유기 태양전지를 개발, 사물인터넷(IoT)이나 스마트 팜처럼 상시 전력 공급이 필요한 전자기기에 적용하는 길을 열어 ‘ACS 에너지 레터즈’ 표지 논문으로 게재됐다. 태양광보다 10분의 1 흐린 빛에서도 기존 소재보다 30% 향상된 성능을 검증받았다. 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장 연구진은 광자 1개로 전하 여러 개를 발생시키는 캐리어 증폭으로 기존 태양전지 효율 33.7%를 46%로 끌어올릴 수 있는 기반을 제공해 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인판에 실렸다.

현재 가장 널리 쓰이는 태양전지는 실리콘 결정의 광전효과를 이용한 일종의 반도체 발전장치다. P형 반도체와 N형 반도체를 접합해 태양빛을 쬐면 내부에서 발생한 정공(양공)과 전자가 각각 P극과 N극으로 이동하고 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 원리다. 하지만 흐린 날씨나 햇빛이 약한 아침·저녁 시간대에 발전량이 급격하게 감소한다. 이와 달리 유기 태양전지는 유기 반도체 박막을 이용, 유연하면서도 적은 빛으로 발전이 가능한 전원을 만드는 기술로 2000년대 이래 주목받았다. 빛을 흡수하는 광흡수층의 소재를 다양하게 디자인할 수 있어 과학자들의 경쟁심을 부추겼다.

특히 실리콘 태양전지의 20%대 발전효율에 비해 10%를 맴도는 낮은 효율이 큰 약점이었다. KIST 연구진은 기존의 세계 최고 수준 유기 태양전지용 고분자(PBDBT-2F) 소재에 염소와 황 성분을 도입해 신소재(PBDBT-SCl)를 개발했다. 태양광의 10분의 1 수준 빛에서 기존 소재보다 30% 향상된 13.23%의 효율을 보였다. 구조 제어를 통해 생성된 전기의 손실도 최소화했다. 대면적 모듈을 제작해 시험해본 결과, 실내조명인 형광등(500lx) 광원에서도 38% 향상된 효율(21.53%)로 전기를 생산했다. 기존의 세계 최고 효율 고분자 태양전지에 비해 26% 어두운 환경(3700lx)에서도 동일 전력을 생산할 수 있었다. 사물인터넷(IoT) 시대를 맞아 집과 사무실의 조명, 냉장고, 복사기 등 모든 전자기기는 무선통신 센서용 대기전력이 필요하다. 실내조명 발전장치는 여기에 딱 들어맞는다. 스마트 팜도 마찬가지다. 저조도 환경에 최적화된 태양전지는 저전력 구동과 상시 전력 공급이 필요한 장치와 천생연분이다. 손 박사는 “우리나라같이 미세먼지 등으로 흐린 날이 많은 곳에서 필요한 기술”이라고 말했다.

한편, IBS 연구진은 태양전지의 효율을 크게 높이는 2차원 물질 특성을 발견했다. 2차원 물질은 두께가 원자만큼 얇아 전혀 다른 물리현상을 나타내며 차세대 반도체로 활발하게 연구되고 있다. 기존에 광자 한 개가 태양전지 표면을 때리면 전하 입자 한 개가 발생했다면, 광자 한 개로 여러 개의 전하를 발생시키는 캐리어(전하 운반 입자, 즉 전자와 양공) 증폭 현상은 효율을 크게 높일 열쇠였다. 연구진은 캐리어 증폭이 발생할 가능성이 높은 후보 물질을 합성하는 방법을 개발했다. 전이금속 칼코젠 화합물은 쉽게 원자층을 2차원으로 분리할 수 있고, 높은 광흡수율과 우수한 캐리어 이동성 때문에 차세대 태양광 소재로 각광 받는 물질이다. 그러나 전이금속과 칼코젠 사이의 결합을 만들기 어려워 대면적 합성이 드물었다. 연구진은 3년간의 시행착오 끝에 정밀한 기상화학증착 공정을 통해 대면적의 2차원 전이금속 칼코젠 소재를 합성하는 데 성공했다. 그간 실리콘 태양전지의 이론적 최대 변환효율은 33.7%였으나, 네덜란드 암스테르담대학과 공동 진행한 이번 연구 결과를 적용하면 46%까지 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다. 연구진은 “이번에 관측된 2차원 전이금속 칼코젠 소재의 독특한 광학적 특성은 앞으로 광검출기, 태양전지 등 다양한 광전자 분야에 기여할 것으로 기대된다”며 “가볍고 우수한 빛 흡수력과 뛰어난 내구성, 유연성 때문에 향후 플렉시블 태양전지의 상용화도 가능할 것”이라고 말했다.


■ 용어설명

유기 태양전지(Organic photo voltaics) : 탄소 기반의 전도성 광흡수 유기재료를 사용해 만든 태양전지.

광흡수층(Light absorbing layer) : 태양빛을 흡수해 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극 사이의 층.

여기(勵起) 상태(Excited state) : 원자 또는 분자가 외부에서 빛, 방사선 등으로부터 에너지를 흡수해 궤도 전자의 에너지 준위가 상승한 상태.

쌍극자 모멘트(Dipole moment) : 쌍극자 사이의 세기와 거리를 곱한 것. 전기 쌍극자 모멘트의 방향은 음전하로부터 양전하로 향하는 벡터양으로 나타난다.

노성열 기자 nosr@munhwa.com