태양전지 효율 예측, 65년 만에 새 기준 세워

포스텍.UNIST 20% 넘는 고효율 소재 개발

조용준 포스텍 교수 (사진=포스텍 제공)

햇빛을 전기로 바꾸는 '유기 태양전지'를 효율적으로 만들 '설계 공식'이 나왔다.

포스텍 화학공학과 조용준 교수 연구팀은 UNIST(울산과학기술원) 에너지공학과 양창덕 교수팀 연구팀과 함께 '유기 태양전지' 특성을 반영한 최대 효율 예측 이론을 정립하고 이를 바탕으로 에너지 손실을 줄인 유기반도체 소재를 개발하는 데 성공했다.

유기 태양전지 설계의 새 기준을 제시했다는 평가를 받은 연구 성과는 화학 분야 국제학술지 미국화학학회지(Journal of the American Chemical Society)에 게재됐다.

태양전지는 햇빛 속 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치다. 현재 널리 쓰이는 실리콘 태양전지는 높은 효율과 안정성을 갖췄지만, 두껍고 무거워 활용 분야가 제한적이다. 반면, 탄소를 기반으로 한 유기반도체를 사용하는 '유기 태양전지'는 얇고 가벼우며 유연하게 휘어지는 특성 덕분에 웨어러블 기기나 건물 외벽, 이동형 에너지 시스템 등에 쓰일 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.

이러한 전지 성능을 높이려면 이론적으로 구현 가능한 최대 효율을 정확히 예측하는 일이 중요한데, 지금까지는 1961년 제안된 '쇼클리-퀘이서(SQ) 한계 이론'이 대표적인 기준으로 활용돼 왔다.

문제는 이 'SQ 한계 이론'이 원자가 규칙적으로 배열된 무기반도체를 기반으로 정립돼 유기반도체 특성을 충분히 반영하지 못한다는 점이다.

유기반도체는 빛을 완전히 흡수하지 못하거나, 흡수한 빛이 전기로 전환되지 못한 채 열과 빛으로 사라지는 등 무기반도체와 다른 특성을 보인다.

이 때문에 기존 이론만으로는 적합한 소재를 설계하거나 성능 한계를 정확히 예측하기 어려웠다.

연구팀은 이번 연구에서 유기반도체에서 실제로 발생하는 에너지 손실을 반영한 새로운 최대 효율 예측 이론을 개발했다.

이상적인 태양전지를 가정한 기존 SQ 한계 이론과 달리, 유기반도체의 불완전한 빛 흡수 과정과 빛이 전기 에너지로 전환되지 못하고 사라지는 손실까지 고려해 유기 태양전지에 실제로 적용할 수 있는 효율 기준을 제시한 것이다.

연구팀은 이론을 실제 소재 개발에도 적용했다. 빛을 받아 전자를 전달하는 전자수용체 소재 구조를 정밀하게 조절해 이론이 제시한 최적의 에너지 조건을 구현하고 특히 분자 배열 방식을 제어해 전하 이동 효율을 높이고 에너지 손실을 줄였다.

그 결과 연구팀이 제작한 유기 태양전지는 20%가 넘는 높은 광-전 변환 효율을 기록했으며, 태양광 기반 수소 생산 시스템의 전극으로 활용한 실험에서도 수중 환경에서 안정적으로 수소를 생산했다.

연구는 경험과 반복 실험에 의존해 온 기존 개발 방식에서 벗어나 원하는 성능을 예측하고 설계하는 새로운 연구 방향을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 이를 통해 차세대 태양에너지 변환 소재 개발이 한층 앞당겨질 것으로 기대된다.

조용준 교수는 "새로운 예측 이론을 실제 소재 개발과 성능 향상으로 연결했다는 점에서 큰 의미가 있다"라며 "유기 태양전지를 비롯한 차세대 태양에너지 변환 소재 설계를 위한 기준이 될 것이다"라고 전했다.

양창덕 교수는 "연구를 통해 고성능 유기반도체 소재 개발에 필요한 설계 방향을 제시했다"며 "가볍고 유연한 차세대 에너지 시스템 구현을 앞당길 기반 기술이 될 것"이라고 기대를 전했다.


포항=김규동 기자