건국대학교는 화학공학부 문두경 교수 연구팀이 유기 태양전지(OSC) 모듈에서 발생하는 효율 저하 문제를 해결할 수 있는 혁신적인 기술을 개발했다고 12일 밝혔다. 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 1월호에 게재됐다.
유기 태양전지는 가볍고 유연하고 대량 생산이 가능해 차세대 태양광 발전 기술로 주목받고 있지만 소형 단위셀에서는 높은 효율을 기록하는 반면에 대면적 모듈로 확장하면 효율이 급격히 감소하는 문제가 있다.
연구팀은 전하 수송 경로의 불균일성과 박막 형성의 비균질성, 저항 증가 및 재결합 손실 등의 기술적 한계 때문에 효율이 저하돼 유기 태양전지의 상업화를 가로막는 대표적인 문제로 지적되고 있다고 전했다.
연구팀은 광활성층의 사전 응집 제어 기법을 활용해 고분자 사슬 얽힘 효과를 유도하는 방식을 적용해 균일한 박막 구조를 형성하고 전하 이동 경로를 최적화하는 데 성공했다. 그 결과, 단위셀(0.04cm²)에서 광전변환효율(PCE) 17.82%를 기록했고 대면적 모듈(30.24cm²)에서도 13.49%의 높은 효율을 달성했다. 대면적 모듈에서 필연적으로 발생하는 셀-투-모듈(CTM) 효율 손실이 기존 26.3%에서 24.3%로 감소하는 성과를 거뒀다.
문두경 교수 연구팀은 “유기 태양전지를 상용화하려면 대면적 공정에서도 높은 효율을 유지하는 것이 필수적”이라며 “이번 연구에서 개발한 사전 응집 제어 기법을 활용하면 유기 태양전지 모듈에서 발생하는 대표적인 문제인 저항 증가와 비균질한 박막 형성 문제를 해소할 수 있다”고 설명했다.
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연구팀 관계자는 “이번 연구에서 대면적 유기 태양전지 모듈에서 필연적으로 발생하는 효율 저하 문제를 해결하는 실질적인 접근법을 제시했다”며 “앞으로 롤투롤(Roll-to-Roll) 프린팅 등 대량 생산 공정과 결합해 상용화 가능성을 더욱 높일 것”으로 기대했다.
연구에는 건국대 화학공학부 김예찬 박사과정생이 제1저자로, 전성재 박사, 한용운 박사, 양남규 박사과정생, 김지연 박사과정생이 공동 참여했다. 과학기술정보통신부의 공공연구성과 가치창출 기술키움 사업, 산업통상자원부의 에너지인력양성 사업의 지원을 받았다.
