KIST(원장 이병권)는 손해정 광전하이브리드연구센터 박사팀이 이같은 연구성과를 발표했다고 24일 밝혔다.

유기태양전지(Organic photovoltaics)는 탄소 기반의 전도성 광흡수 유기재료를 사용해 만든 태양전지를 말한다. 

태양전지는 날씨와 환경에 구애받지 않고 발전할 수 있는 태양전지 기술을 개발하는 것이 핵심이다.

기존에 상용화된 태양전지는 흐린 날씨나 햇빛이 약한 아침, 저녁에는 발전량이 감소하는 단점이 있다. 때문에 발전할 수 있는 기간과 시간대가 한정적이고, 지속적 전원 공급이 힘들다는 제약이 있었다.

유기태양전지는 적은 양의 햇빛에도 전기에너지를 만들 수 있는 것으로 알려졌다. 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층의 소재를 다양하게 디자인하고, 소재개발을 통해 흐린 날에도 태양광 발전량을 향상시킬 수 있다.

이러한 장점에도 불구하고 소재 디자인의 원리에 대한 이해도가 낮고, 적합한 소재를 찾지 못해 고효율의 안정적인 유기태양전지를 개발하지 못하고 있었다.  
 
이에 연구진은 기존 유기태양전지용 고분자(PBDBT-2F) 소재에 염소와 황 성분을 도입했다.

개발된 신소재(신규 고분자 PBDBT-SCl)는 약한 빛에도 효과적으로 전기에너지 생산이 가능하며, 구조 제어를 통해 생성된 전기의 손실을 최소화하도록 했다. 실제 신소재를 적용한 대면적 유기태양전지 모듈을 제작해 실험한 결과, 맑은 날뿐만 아니라 흐린 날에도 효과적으로 발전이 가능한 것으로 나타났다.  

개발한 신소재는 태양광의 10분의 1 수준의 조건에서 기존 소재에 비해 30% 향상된 성능(13.23% 효율)을 보였다. 태양전지 모듈의 경우 실내조명인 형광등(500 lx)을 광원으로 사용했을 때도 약 38% 향상된 효율(21.53%)로 전기를 생성했다.

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 구동하면서 상시 전력 공급이 필요한 스마트 팜이나, 사물 인터넷(IoT) 센서에도 적용할 수 있다.

손해정 KIST 박사는 "우리나라와 같이 미세먼지 등으로 흐린 날이 많은 저조도 환경에서 효과적으로 발전할 수 있는 유기태양전지용 소재의 핵심기술 개발에 기여했다"며 "추가연구를 통해 세계 태양광 시장에서 차세대 태양전지 핵심 소재를 조기에 선점할 수 있을 것으로 기대한다."고 말했다. 

연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영)의 지원으로 KIST 주요사업으로 수행됐다. 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 'ACS Energy Letters' 표지논문으로 선정돼 게재될 예정이다.