흐린 날도 전기 생산하는 태양전지 개발

KIST, 발전 환경의 제약 극복하는 토대 마련
스마트팜, IoT 센서 독립전원으로 활용 기대
박순주 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2019-11-25 13:38:48
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▲ 고감도 고분자를 응용한 유연 유기태양전지 모듈 <사진=KIST>
[환경미디어=박순주 기자] 흐린 날 약한 빛에도 전기를 효과적으로 만들 수 있는 고효율 태양전지가 개발됐다는 소식이다.

24일 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 신소재를 개발, 이를 태양전지에서 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층 소재로 사용해 고효율의 유기태양전지를 개발했다고 밝혔다.

광흡수층은 태양빛을 흡수해 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극사이의 층을 말하고, 유기태양전지(Organic photovoltaics)는 탄소 기반의 전도성 광흡수 유기재료를 사용해 만든 태양전지를 말한다.

미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지는 날씨와 환경에 구애받지 않고 발전할 수 있는 태양전지 기술을 개발하는 것이 핵심이다.

특히 기존에 상용화된 태양전지의 경우 흐린 날씨나 햇빛이 약한 아침과 저녁에는 발전량이 급격히 감소하는 단점이 있다. 그 때문에 발전할 수 있는 기간과 시간대가 한정적이며 지속적인 전원 공급이 힘들다는 제약이 있었다.

유기태양전지의 경우, 적은 양의 햇빛에도 효과적으로 전기에너지를 만들 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층의 소재를 다양하게 디자인할 수 있어서 소재개발을 통해 흐린 날에도 태양광 발전량을 향상시킬 수 있다.

하지만 이러한 장점에도 불구하고 소재 디자인의 원리에 대한 이해도가 낮고, 적합한 소재를 찾지 못해 고효율의 안정적인 유기태양전지를 개발하지 못하고 있는 실정이었다.

▲ 고감도 고분자를 응용한 유연 유기태양전지 모듈 <사진=KIST>
KIST 연구진은 기존의 세계 최고 수준의 유기태양전지용 고분자(PBDBT-2F) 소재에 염소와 황 성분을 도입했다.

또한 개발된 신소재(신규 고분자 PBDBT-SCl)는 약한 빛에도 효과적으로 전기에너지 생산이 가능하며, 구조 제어를 통해 생성된 전기의 손실을 최소화할 수 있도록 했다.

연구진은 또 실제로 신소재를 적용한 대면적 유기태양전지 모듈을 제작, 평상시 맑은 날뿐만 아니라 흐린 날에도 효과적으로 발전할 수 있는 것을 실험을 통해 확인했다.

개발된 신소재는 태양광의 1/10 수준인 조건에서 기존 소재에 비해 30% 향상된 성능(13.23%의 효율)을 보였으며, 태양전지 모듈의 경우 실내조명인 형광등(500lx)을 광원으로 사용했을 때도 약 38% 향상된 효율(21.53%)로 전기를 생성할 수 있었다.

특히 기존에 알려진 세계 최고 효율의 고분자에 비해 26% 어두운 빛의 환경(3700 lx)에서도 동일한 전력을 생산할 수 있는 높은 효율성을 가진 것으로 나타났다.

이러한 저조도 환경에 최적화된 태양전지는 향후 적은 전력으로 구동할 수 있으면서 상시 전력 공급이 필요한 스마트팜이나, 사물 인터넷(IoT) 센서 등에도 적용할 수 있다.

손해정 KIST 박사는 “이번 성과는 우리나라와 같이 미세먼지 등으로 흐린 날이 많은 저조도 환경에서 효과적으로 발전할 수 있는 유기태양전지용 소재의 핵심기술 개발에 기여했다”라며 “향후 지속적인 추가연구를 통해 세계 태양광 시장에서 차세대 태양전지 핵심 소재를 조기에 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업으로 수행됐으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘ACS Energy Letters(IF: 16.331, JCR 분야 상위 1.923%)’ 표지논문으로 선정・게재될 예정이다.

 

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