 흐린 날에도 효과적으로 전기 생산하는 고효율 태양전지 유기태양전지 핵심소재, 스마트 팜·IoT 센서 독립전원 활용
미래 친환경 에너지원으로 꼽히는 태양전지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 태양전지와 관련된 연구는 주로 빛의 양이 많은 태양광 환경에서 이루어졌는데, 사물인터넷(IoT) 수요가 늘어남에 따라 실내조명처럼 상대적으로 약한 빛을 이용해 전력을 생산하는 방법에도 관심이 높아지고 있다. 최근 국내 연구진이 태양빛이 흐린 날에도 고효율 태양전지를 개발할 수 있는 유기태양전지 핵심소재를 개발했다고 밝혀 소개한다.
정리 편집부 | 자료제공 한국과학기술연구원(KIST)
날씨 변동성이 큰 태양광 특성
태양전지는 흐리거나 비가 오는 날, 일출 또는 일몰, 실내 등 빛의 양이 감소하는 환경에서는 전압 저하 현상이 발생하여 정상적인 작동이 어렵다. 무엇보다도 저조도 환경에서도 안정적으로 전력을 생산할 수 있어야 한다.
태양전지는 이처럼 태양 빛에 의지하는 특성으로 날씨에 많이 좌우된다는 한계가 있다. 날씨가 흐리거나 태양 빛이 강하지 않은 아침과 저녁에는 전기를 생산하는 발전량이 크게 감소한다. 따라서 미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리잡을 태양전지는 날씨와 환경에 구애받지 않고도 전기를 생산할 수 있는 기술을 개발하는 것이 최근 진행되고 있는 연구개발 방향이다.
태양전지는 지금까지는 주로 대용량 발전용으로 이용되는 경우가 일반적인 경우였으나 최근에는 실내 사물인터넷(IoT) 센서를 구동하기 위한 발전원으로 활용하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
한국과학기술연구원 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 지난해 11월 약한 빛에도 효과적으로 전기를 만들 수 있는 신소재를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 이번에 개발된 신소재는 태양전지에서 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층 소재로 사용함으로써 고효율의 유기태양전지를 개발할 수 있는 기술이다.
앞으로 이 기술은 스마트 팜을 비롯해 낮은 전력으로 구동할 수 있는 독립전원으로 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 스마트 팜 기술은 정보통신기술을 활용해 온도, 조도, 습도, 이산화탄소, 토양 등 생육 정보에 대한 정확한 데이터를 기반으로 생육 단계별 정밀한 관리와 예측 등을 통해 수확량, 품질 등을 향상시켜 수익성을 높일 수 있는 미래의 먹거리산업 기술이다.  [그림 1] 약한 빛에도 효과적으로 전기에너지 생산하는 고분자 PBDBT-SCl
광전 변환 물질을 나노 입자로 만드는 유기태양전지
태양전지의 종류에는 실리콘, CIGS 박막태양전지, 페로브스카이트, 유기태양전지 등이 있다.
기존에 상용화가 된 결정질 실리콘 태양전지의 경우에는 전력을 생산할 수 있는 기간과 시간대가 한정적이라는 단점이 있다. 흐린 날씨나 햇빛이 약한 아침과 저녁에는 발전량이 급격히 감소한다는 문제가 있기 때문이다. 따라서 계절적으로나 시간적으로 발전량에 한계가 있는 이러한 태양광을 비롯한 재생에너지의 변동성을 극복하는 것은 에너지 전환에 있어서 극복해야 할 중요한 관건이 되고 있다.
CIGS 박막태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 화합물로 만든 박막형 태양 전지로, 유리 기판은 물론 스테인리스, 알루미늄 등 유연한 기판에 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 화합물을 증착하는 방식이다. 기존 실리콘 계열의 태양전지와 달리 실리콘을 전혀 사용하지 않으면서도 태양광을 전기로 변환해 주는 효율이 높은 것이 특징이다.
유기태양전지(有機太陽電池, Organic PhotoVoltaics, OPV)는 광전 변환 물질을 나노 입자로 만들어 플라스틱이나 금속 기판 따위에 프린팅 방식으로 만드는 태양전지다. 소재와 관련된 연구가 진행됨에 따라 달라질 수도 있겠지만, 일반적으로 유기태양전지는 결정형 태양전지에 비해 생산단가를 낮출 수 있어 미래의 태양광 발전 분야에서는 성장 가능성이 가장 높은 것으로 알려져 있다.
IoT 등 실내용 발전장치로 활용
유기태양전지는 적은 양의 햇빛으로도 효과적으로 전기에너지를 만들 수 있는 것으로 알려져 있다. 수백 나노 미터 수준의 박막형으로 광흡수층이 형성되기 때문에 미량의 광흡수에도 전기에너지로 효과적으로 변환할 수 있다는 장점이 있다.
이러한 특성은 흐린 날을 비롯한 자연광뿐만이 아니라 상대적으로 매우 약한 실내조명에서도 빛 에너지를 흡수하여 전기를 생산해 내는 데 유리한 구조라고 할 수 있다. 이처럼 다른 태양전지에 비해 유기태양전지가 실내 광원과 같은 저조도의 빛에서 상대적으로 유리한 특성 때문에, 소규모의 저전력 실내 전자장치와 통합하거나 무선으로 연결된 사물인터넷(IoT)장치에 전력을 공급하는 실내용 태양광 발전장치로 활용하는 것이 유용하다.
발광 다이오드(LED) 및 형광(FL) 램프와 같은 실내조명의 경우, 일반적인 1 Sun의 태양광보다 500배 낮은 200 lx밖에 되지 않으며, 그로 인해 줄어든 광전류를 생성하게 된다. 따라서 저조도인 실내조명에서 효과적으로 전류를 생성하기 위한 실내조명용 유기태양전지용 광활성 재료를 만드는 연구가 필요하다.
유기태양전지는 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층의 소재를 다양하게 디자인할 수 있어서 소재 개발을 통해 흐린 날에도 태양광 발전량을 향상시킬 수 있다. 유기태양전지는 용액공정기반의 Roll-to-Roll과 같은 대면적 인쇄기술로 제작할 수 있어 가볍고 기계적으로 유연한 소자를 제작할 수 있다는 장점이 있다. 사용되는 유기 광활성 재료는 실리콘보다 높은 흡광계수와 밴드 갭 조절이 용이하다. 이러한 특성 때문에 미량의 빛에도 효과적으로 전력 생산이 가능한 소재 개발을 통해 태양광 발전량을 증가시킬 수 있다.
하지만 지금까지 그 중요성이 인정되면서도 고감도 유기태양전지 고분자 소재에 대한 개발은 소재 디자인 원리에 대한 이해도가 낮아 적합한 소재를 찾지 못하고, 이를 개선하기 위한 연구가 많이 진행되지 않은 상태였다.  [그림 2] 고감도 고분자를 응용한 유연 유기태양전지 모듈
약한 빛에도 전기 생산하는 고분자 PBDBT-SCl 신소재
KIST 연구진은 기존의 세계 최고 수준의 유기태양전지용 고분자(PBDBT-2F) 소재에 염소와 황 성분을 활용했다. 개발된 신소재(신규 고분자 PBDBT-SCl)는 약한 빛에도 효과적으로 전기에너지 생산이 가능하며, 구조 제어를 통해 생성된 전기의 손실을 최소화할 수 있도록 했다.
연구진은 실제로 신소재를 적용한 대면적 유기태양전지 모듈을 제작, 평상시 맑은 날뿐만 아니라 흐린 날에도 효과적으로 발전할 수 있음을 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(500 lx)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 있을 정도로 높은 효율성을 가진 것으로 나타났다.
이러한 저조도 환경에 최적화된 태양전지는 향후 적은 전력으로 구동할 수 있으면서 상시 전력 공급이 필요한 스마트 팜이나, 사물인터넷(IoT) 센서 등에도 적용할 수 있을 것으로 연구진은 보고 있다.
높은 상 분리로 전하 수송특성과 소자의 저항 특성 개선
본 연구팀은 기존의 세계 최고 수준의 유기태양전지용 고분자(PBDBT-2F) 구조에서 곁사슬에 염소와 황을 도입하여 새로운 고분자 소재인 PBDB-TSCl를 합성하여 저조도부터 1 Sun의 광량에서도 효과적으로 전기에너지를 생산하는 고분자를 개발했다.
실험 결과 PBDBT-2F와 비교하여 신규 고분자 PBDBT-SCl은 기존의 1 Sun 조건에서 약간 더 좋은 결과를 보였으나 0.1 Sun의 저조도 조건에서는 태양전지 특성이 30% 향상되어 13.23%의 효율을 얻었으며, 실내조명 (500 lx, 형광등)에서는 38% 향상되어 21.53%의 효율을 얻었다.
추가적인 연구를 통해 저조도에서 성능이 향상된 이유를 확인한 결과, 고분자가 빛을 받은 후에 여기되면 분자의 쌍극자 모멘트의 변화가 일어나며 이 변화가 클수록 저조도에서 고분자의 전하 생성이 효과적으로 되는 것을 확인했다.
또한 신규 고분자는 기존 고분자와는 반대로 증가한 결정성으로 인해 광흡수층 박막을 형성할 때 상 분리가 크게 일어났으나 효과적으로 전하가 생성되는 것을 확인할 수 있었다. 큰 상 분리 덕분에 전하 수송 특성과 소자의 저항 특성이 개선되어 저조도에서 높은 충전율(Fill factor)을 통해 광전변환효율이 크게 증가했다. 신규 고분자는 100℃에서 34시간 동안 기존 고분자가 적용된 유기태양전지에 비해 더 높은 열 안정성을 나타냈다.
광흡수층 박막 형성하는 전도성 고분자 개발에 기여
KIST 손해정 박사는 이번 연구 성과에 대해 “우리나라와 같이 미세먼지 등으로 흐린 날이 많은 저조도 환경에서 효과적으로 발전할 수 있는 유기태양전지용 소재의 핵심기술을 개발하는 데 기여했다”고 말했다. 덧붙여 “향후 지속적인 추가연구를 통해 세계 태양광 시장에서 차세대 태양전지 핵심소재를 조기에 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
본 연구는 실내조명과 같은 저조도에서 고성능의 유기태양전지를 만들기 위한 재료의 조건에 대한 지침으로 적용될 수 있다. 또한 엑사톤 분리 특성이 높으며, 높은 충전율을 얻을 수 있는 광흡수층 박막을 형성하는 전도성 고분자의 개발에 이바지할 수 있을 것으로 보인다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘ACS Energy Letters’ 표지 논문으로 선정되어 게재될 예정이다.
<Energy News>
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