페인트처럼 칠해서 태양전지 만든다

국내 연구진이 페인트처럼 칠해서 만들 수 있는 태양전지 기술을 개발했다. 

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은태양전지 원료의 용액을 코팅 후 고체화되는 속도를 제어하는 방법으로 고효율 용액공정 유기태양전지의 대면적화에 성공했다. 

연구팀은 용액 공정상에서 유기태양전지 소재의 작은 면적과 큰 면적에서 필름 형성 메커니즘의 차이점을 밝혀내고, 이를 공정 기술상 해결을 통해 고효율 유기태양전지 대면적화 기술을 개발한 것이다.

연구 결과(논문명: Developement of highly efficient large area organic photovoltaic module: Effects of nonfullerene acceptor)는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 최신 호에 실렸다.

KIST 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀이 태양전지 원료 용액을 코팅 후 고체화되는 속도를 제어하는 방법으로 대면적 고효율 태양전지 기술을 구현했다. [출처: KIST]

태양전지 소재를 페인트처럼 만들어 건물이나 자동차 등 원하는 공간에 칠하는 방식으로 쉽게 만들고, 전기를 자급자족하게 할 수 있다면 세계 에너지 빈곤층에 저가의 친환경에너지 공급이 가능해질 것이다. 그뿐만 아니라 도심 건물에 태양광 설치를 위한 공간 활용이 쉬워지고, 이상적으로는 필요시에 페인트를 덧바르는 형태로 태양전지 패널을 유지 보수할 수 있다.

이러한 태양전지 소재의 용액을 코팅하는 방식을 이용한 태양전지 생산 기술인 용액공정 태양전지는 전기를 생산하는 활성 영역이 매우 작은(0.1㎠ 이하) 실험실 수준에 머물러 있다. 실질적으로 전력생산이 가능한 넓은 면적으로 적용하면 소재와 공정에서 오는 한계로 태양전지의 성능감소와 재현성 문제가 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

손 박사팀은 상용화된 유기 소재가 쉽게 결정화되는 성질을 갖고 있어 대면적 용액공정에 부적합하다는 사실을 밝혔다. 

산업용으로 쓰이는 대면적 용액공정은 태양전지 소재가 녹아 있는 용매가 증발하여 필름이 형성되는 속도가 느리기 때문에, 뭉침 등의 현상이 일어나 태양전지의 효율이 떨어지게 된다. 

반면에 실험실 연구 단위에서 쓰이는 작은 면적용 공정인 스핀 코팅 방법의 경우 필름 형성 과정에서 필름을 빠르게 회전시켜 용매의 증발을 빠르게 진행하기 때문에 이런 문제점 없이 고효율의 필름을 형성할 수 있다.

연구진은 이 같은 사실을 바탕으로 대면적 용액공정 방식에서 코팅 공정 후 용매의 증발속도를 제어하여 태양전지 성능에 최적화된 필름을 형성, 고성능 대면적 유기태양전지를 개발했다. 그 결과, 기존보다 태양전지 광전변환효율이 30% 상승한 9.6%의 고효율 대면적 유기태양전지 기술을 구현했다.

손 박사는 “고품질의 대면적 용액공정이 가능한 태양전지 소재의 핵심 디자인 원리를 제안함으로써 향후 용액공정 태양전지 개발이 가속화될 것”이라고 말했다.

김민중 기자 science@