[과학을 품다] 흐린 날도 문제없다…고효율 태양전지 나왔다
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[과학을 품다] 흐린 날도 문제없다…고효율 태양전지 나왔다
  • 정종오 기자
  • 승인 2019.11.24 12:00
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국내 연구팀 관련 소재 개발, 스마트팜과 사물 인터넷 센서 등에 적용 가능
고감도 고분자를 응용한 유연 유기태양전지 모듈.[사진=KIST]
고감도 고분자를 응용한 유연 유기태양전지 모듈.[사진=KIST]

흐린 날에도 전기를 생산할 수 있는 태양전지가 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 약한 빛에도 효과적으로 전기를 만들 수 있는 신소재를 개발하는 데 성공했다. 태양전지에서 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층 소재로 사용해 고효율의 유기태양전지를 내놓았다.

미래 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지는 날씨와 환경과 관계없이 발전할 수 있는 태양전지 기술을 개발하는 것이 핵심이다. 기존에 상용화된 태양전지의 경우 흐린 날씨나 햇빛이 약한 아침과 저녁에는 발전량이 급격히 감소하는 단점이 있다. 이 때문에 발전할 수 있는 기간과 시간대가 한정적이며 지속적 전원 공급이 힘들다는 제약이 있었다. 이른바 ‘간헐성’이 문제였다.

유기태양전지의 경우 적은 양의 햇빛에도 효과적으로 전기에너지를 만들 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층의 소재를 다양하게 디자인할 수 있어 소재개발을 통해 흐린 날에도 태양광 발전량을 향상시킬 수 있다. 이런 장점에도 불구하고 소재 디자인의 원리에 대한 이해도가 낮고 적합한 소재를 찾지 못해 고효율의 안정적 유기태양전지를 개발하지 못하고 있다.

KIST 연구팀은 기존의 세계 최고 수준의 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 최소화할 수 있도록 했다. 연구팀은 실제로 신소재를 적용한 대면적 유기태양전지 모듈을 제작, 평상시 맑은 날뿐 아니라 흐린 날에도 효과적으로 발전할 수 있는 것을 실험을 통해 확인했다.

개발된 신소재는 태양광의 10분의 1 수준인 조건에서 기존 소재보다 30% 향상된 성능(13.23%의 효율)을 보였다. 태양전지 모듈의 경우 실내조명인 형광등(500lx)을 광원으로 사용했을 때도 약 38% 향상된 효율(21.53%)로 전기를 생성할 수 있었다. 특히 기존에 알려진 세계 최고 효율의 고분자에 비해 26% 어두운 빛의 환경(3700 lx)에서도 같은 전력을 생산할 수 있는 높은 효율성을 가진 것으로 나타났다. 이러한 저조도 환경에 최적화된 태양전지는 앞으로 적은 전력으로 구동할 수 있으면서 상시 전력 공급이 필요한 스마트 팜이나 사물인터넷(IoT) 센서 등에도 적용할 수 있다.

손해정 박사는 “이번 성과는 우리나라와 같이 미세먼지 등으로 흐린 날이 많은 저조도 환경에서 효과적으로 발전할 수 있는 유기태양전지용 소재의 핵심기술을 개발했다는 데 있다”며 “앞으로 지속적 추가연구를 통해 세계 태양광 시장에서 차세대 태양전지 핵심소재를 조기에 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ 표지논문(논문명: High performance and stable nonfullerene acceptor-based organic solar cells for indoor to outdoor light)으로 실렸다.

정종오 기자  science@greened.kr

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