국내 연구진이 1000시간 이상의 고안정성 테스트를 거친 206cm² 크기의 반투명 유기태양전지 모듈을 구현하는데 성공했다.
광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원과 신소재공학부 이광희 교수 공동연구팀은 건축물 창호나 자동차 유리로 활용하면서 전력까지 생산할 수 있는 '차세대 반투명 유기태양전지' 기술을 개발하는데 성공했다고 13일 밝혔다.
기존 반투명 유기태양전지 기술은 유기 소재와 투명 전극의 취약성 때문에 안정성과 건물에 적용하기 어렵다는 문제가 있었다. 또 지금까지 연구돼온 유기태양전지는 주로 불투명한 형태였고 반투명 유기태양전지 연구도 작은 셀 단위나 소면적 모듈에서 제한적으로 진행됐을 뿐, 경쟁력 있는 효율과 안정성을 구현하는 상업적인 연구는 거의 없었다.
하지만 이번에 개발한 기술은 이같은 문제를 극복했다는데 큰 의미가 있다. 연구팀은 모듈의 확장성 구현을 위해 액상 재료를 균일하고 정밀한 두께로 도포하는 코팅 방식인 슬롯다이 코팅(Slot-die Coating) 공정을 도입했다. 이에 따라 대면적 모듈에서도 균일한 코팅 두께를 구현하는데 성공했다. 또 기존 독성용매 대신 비독성 용매인 친환경 비할로겐 용매를 활용해 작업자의 안전과 환경보호를 동시에 고려했다.
대면적 모듈 크기를 온전히 보호하는 새로운 방법도 도입했다. 이를 바탕으로 세계 최고 수준인 206cm² 크기의 대면적 반투명 유기태양전지 모듈에서 1000시간 이상의 가속 열화 조건의 고안정성 테스트도 통과했다. 이것은 기존 문헌에 보고된 최고 수준인 114.5cm²면적에서 4.5%의 광전변환효율과 비교했을 때 면적이 약 1.8배 확장됨에 동시에 2.3배 높은 광전변환 효율을 달성한 것이다.
뿐만 아니라 기존 연구결과에서는 약 400시간의 테스트에서 20% 이상의 효율 감소를 보인 반면, 이번 연구에서는 1000시간 장시간 테스트에서도 15% 감소에 그치는 획기적인 개선 효과를 입증했다.
연구팀은 "이번에 개발한 반투명 유기태양전지는 건축물 창호나 차량 유리, 디스플레이 등 투명성이 요구되는 다양한 분야에도 적용 가능하다"며 "심미성을 유지하면서도 전력까지 생산할 수 있는 것이 특징"이라고 강조했다.
강홍규 책임연구원은 "이번 연구성과는 유기태양전지의 대면적 확장 가능성과 장기 안정성 문제를 봉지 공정을 통해 해결했다"고 설명하며 "차량용 유리나 스마트 디스플레이 등 일상 속 다양한 영역에 반투명 태양전지를 적용함으로써 도심 친환경 에너지 인프라 확충에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
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