"전기 만드는 투명창 현실로"…GIST, 차세대 반투명 태양전지 개발

[광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(GIST)이 창문처럼 투명하면서도 전기를 생산할 수 있는 세계 최고 수준의 차세대 반투명 유기태양전지(ST-OPVs) 기술 개발로 창문·건물 외장재·차량 유리 등에 적용 가능성을 입증했다.

GIST는 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원과 신소재공학과 이광희 교수 공동연구팀이 차세대 반투명 유기태양전지(ST-OPVs)의 투명도와 발전 효율을 크게 높여줄 원천 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

이 기술은 복잡한 다층 구조 대신 단순한 소자 설계를 바탕으로 전기적 성능과 투명성을 동시에 향상시켰다는 점에서 의미가 크다.

특히 광 이용 효율(LUE)은 4.01%로 동일 조건에서 세계 최고 수준의 수치를 기록하며 국제적 경쟁력을 입증했다.

유기태양전지는 유기 반도체 소재를 기반으로 가볍고 유연하며, 인쇄 공정을 통해 대면적 저비용 생산이 가능한 차세대 에너지원이다.

이 중 반투명 유기태양전지(ST-OPVs)는 일부 가시광선을 투과시켜 건물 창호나 차량 유리 등 투명 구조물과 결합할 수 있는 점에서 건물일체형태양광(BIPV), 차량일체형(VIPV) 등 다양한 응용 가능성이 주목받고 있다.

하지만 기존에는 투명도를 높이면 발전 효율이 떨어지고, 효율을 높이면 투명도가 낮아지는 '투명도–효율 상충관계(trade-off)'가 주요 한계로 지적됐다.

이에 연구팀은 문제 해결을 위해 가시광선을 흡수하는 소재인 전자주개의 함량을 줄여 투명도를 높이고, 대신 전기 흐름이 원활히 이어지도록 돕는 정공 수송 첨가제(Me-4PACz)를 도입했다.

 이 첨가제는 태양전지 내에서 자발적으로 정공 수송층(HTL)을 형성해 전류 흐름을 원활하게 하고, 전하 이동 경로를 최적화해 전력 손실을 최소화하는 역할을 한다.

또 핀란드 아보 아카데미 대학교 연구진과의 공동 전기·광학 시뮬레이션을 통해 해당 첨가제가 광활성층 내부(Bulk)와 계면(Interface)에서 모두 작용하며 전자와 정공의 재결합을 억제해 성능을 향상시키는 원리를 규명했다.

연구진은 이번 기술이 실내외 채광창, 고층건물 커튼월, 차량 유리 등에 적용할 경우 에너지 자립형 도시에 크게 기여할 것으로 기대하고 있다.

강홍규 책임연구원은 "이번 연구는 반투명 유기태양전지 분야의 오랜 숙제였던 투명도–효율 간 상충관계를 해소했다는 점에서 의미가 크다"며 "앞으로 각종 투명 구조물과 결합한다면 도시의 친환경 에너지 자립에 크게 기여할 것"이라고 전망했다.

이광희 교수는 "이번 성과는 단순한 소재 개선을 넘어 소자의 계면과 내부 영역을 동시에 제어할 수 있는 새로운 접근법을 제시한 것"이라며 "첨가제가 스스로 계면에 정공 수송층을 형성하고 동시에 광활성층 내부에서 전하 손실을 억제해 성능을 크게 향상시켰다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구사업과 세종과학펠로우십의 지원을 받았다.

연구 결과는 국제학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)' 8월21일자 온라인판에 게재됐다. 학문적·산업적 영향력을 인정받아 '핫 페이퍼(Hot Paper)'로도 선정됐다.


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