[데일리비즈온 김소윤 기자] 태양 빛을 이용한 에너지 상용화에 따르는 대표적인 난관은 날씨가 흐리면 효과적인 에너지를 얻어내지 못한다는 것이다. 그런데 국내 연구진이 흐린 날에도 전기를 만들어 내는 고효율 태양전지를 개발했다.

◇ 고효율 태양전지 개발

22일 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 약한 빛에도 효과적으로 전기를 만들 수 있는 신소재를 개발했다고 밝혔다. 개발한 유기태양전지는 태양전지에서 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층을 소재로 사용한 고효율 제품이다.

광흡수층이란 태양빛을 흡수해 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극사이의 층을 일컫는다. 유기태양전지는 탄소 기반의 전도성 광흡수 유기재료를 사용하여 만든 태양전지다. 기존 상용화된 태양전지는 햇빛이 약한 시간대나 흐린 날씨에 발전량이 급 감소해 상용화 확대에 어려움이 있었다.

이에 날씨와 환경에 구애받지 않고 발전할 수 있는 태양전지 기술을 개발하는 것이 필요했다. 태양전지와 달리 유기태양전지는 소량의 햇빛에도 효과적으로 전기에너지를 만들 수 있다.

특히 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층의 소재를 다양하게 디자인할 수 있어 소재개발을 통해 흐린 날에도 태양광 발전량을 높일 수도 있다.

◇ 기존 소재 대비 성능 30%↑

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 가능하다. 이들은 구조 제어를 통해 생성된 전기의 손실을 최소화할 수 있도록 했다. 연구팀은 신소재를 적용한 대면적 유기태양전지 모듈을 제작해 평상시 맑은 날뿐만 아니라 흐린 날에도 효과적으로 발전할 수 있는 것을 실험을 통해 확인했다고 밝혔다.

연구팀에 따르면 신소재는 태양광의 1/10 수준인 조건에서 기존 소재에 비해 30% 향상된 성능(13.23%의 효율)을 나타냈다. 태양전지 모듈은 실내조명인 형광등(500 lx)을 광원으로 사용했을 때도 약 38% 향상된 효율(21.53%)로 전기를 생성이 가능했다.

아울러 세계 최고 효율의 고분자 대비 26% 어두운 빛의 환경(3700 lx)에서도 동일한 전력을 생산할 수 있는 높은 효율성을 가진 것으로 밝혀졌다. 이처럼 어두운 환경에 최적화된 태양전지는 또 다른 미래 기술과도 접목될 수 있다. 낮은 전력으로 구동할 수 있으면서 상시 전력 공급이 필요한 스마트 팜. 사물 인터넷(IoT) 센서 등에도 적용할 수 있다.

이번 연구 결과에 대해 손해정 KIST 박사는 “이번 성과는 우리나라와 같이 미세먼지 등으로 흐린 날이 많은 저조도 환경에서 효과적으로 발전할 수 있는 유기태양전지용 소재의 핵심기술 개발에 기여했다”고 밝혔다.