울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 연구팀이 10% 이상의 광전 변환 효율을 달성한 반투명 유기 태양전지 개발에 성공했다고 15일 발표했다.

양창덕 교수팀이 개발한 반투명 유기 태양전지는 10.81%의 광전 변환 효율과 45.43%의 가시광선 투과율을 동시에 구현했다. 이는 창문이나 모바일 기기 화면을 투명 발전소로 활용할 수 있는 가능성을 제시한 것이다.

일반적인 태양전지가 검게 보이는 것은 태양광을 흡수해 전기를 생산하기 때문이다. 태양광 흡수율이 높을수록 전지 효율은 향상되지만, 투명성을 확보하려면 태양광이 흡수되지 않고 통과해야 하는 모순적 상황이 발생한다. 이것이 고효율 투명 태양전지 개발을 어렵게 만드는 핵심 요인이다.

이번 연구의 핵심은 적외선만을 선택적으로 흡수하는 고성능 광활성층 개발에 있다. 이 광활성층은 눈에 보이는 가시광선 대역은 절반 가까이 투과시키면서, 보이지 않는 적외선 대역을 흡수해 전력을 생산한다.

적외선 흡수 발전은 고에너지 가시광선 흡수보다 광전 변환 효율이 낮아지는 한계가 있었으나, 연구팀은 광활성층의 수용체 분자 구조를 새롭게 설계해 이 문제를 극복했다. 유기 태양전지의 광활성층은 전자를 제공하는 공여체와 전자를 받는 수용체 분자로 구성된다.

연구팀이 합성한 4FY 수용체 분자는 전체적으로 A-D-A 구조의 대칭형이지만 불소와 수소, 불소와 황 사이의 국소적 비대칭적 상호 작용이 발생하도록 설계됐다. 이런 분자 구조는 분자 간 정렬도를 개선하고 전하 이동 경로를 확보해 전지 효율을 높인다.

제1저자인 양상진 연구원은 "비대칭성은 전지 효율을 높이지만 수명이 짧고 합성이 어려운 문제가 있는데, 분자 구조 내 국소적 비대칭성을 유발해 대칭성과 비대칭성의 장점을 모두 활용한 분자 구조"라고 설명했다.

개발된 전지는 주야간 조건을 반복하는 실외 환경을 모사한 총 134시간의 다이얼 사이클 안정성 테스트에서 초기 성능 대부분을 유지하며 높은 내구성을 보여줬다. 이는 기존 Y6 수용체 분자 기반 반투명 태양전지 대비 약 17배 향상된 수명이다.

양창덕 교수는 "눈에 보이지 않는 빛으로 전기를 만드는 새로운 방식의 태양전지를 제시했다"며 "스마트폰 보호필름, 건물 유리창, 투명 디스플레이 등 다양한 환경에서 보이지 않는 발전소를 개발하는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제 학술지 앙게반테케미 6월 10일자에 출판됐으며 과학기술정보통신부 한국연구재단, 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 수행됐다.