[데일리비즈온 김소윤 기자] ‘그래핀’을 이용한 전극을 통해 고효율 유기 태양전지가 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 박혜성·양창덕 교수팀이 개발한 ‘그래핀 기반 고성능 투명 유연 전극’을 유기 태양전지에 적용한 결과 같은 종류의 태양전지 중 최고 효율을 기록했다는 설명이다.

연구팀은 새로운 전극이 태양전지뿐만 아니라 디스플레이나 광센서 등에도 쓰일 수 있어 활용도가 높을 것으로 전망했다. 이들은 그래핀이 가진 우수한 전기 전도성과 내구성을 해치지 않도록 새로운 제조기법을 고안했다. 기존 그래핀 전극의 단점을 보완한 것이다.

그래핀 전극은 ‘유기 태양전지’의 상용화를 앞당길 구성요소로 주목받는다. 태양전지는 태양광을 받아 전자를 만들어내는 ‘광활성층’과 전자의 통로 역할을 하는 ‘전극’, 전체 전지 구조를 유지하는 ‘기판’ 등 여러 층으로 이뤄진다.

유기 태양전지는 광활성층으로 가볍고 유연한 유기물을 사용하므로 차세대 태양전지로 각광 받고 있다. 하지만 기존의 딱딱한 전극을 사용하면 유연하고 가벼운 태양전지를 구현하기 어려워진다.

‘그래핀 전극’은 가볍고 유연한 데다 전기 전도성이 뛰어나고 내구성도 좋아 유기 태양전지의 특성을 살릴 수 있는 소재로 지목됐다. 하지만 그래핀이 원자 한 층 수준으로 얇아서 전극 기판으로 옮길 때 지지층이 필요했다.

보통 지지층으로 전기가 안 통하는 고분자 물질을 쓰는데 이들이 완전히 제거되지 않아 전기 전도성을 낮추는 원인이 됐다. 또 기판 위에 그래핀을 고정하는 힘이 부족해 굽히거나 외부 힘을 반복적으로 가하면 떨어지기도 했다.

공동연구팀이 개발한 전극을 유기 태양전지에 적용한 결과 15.2%의 광전변환효율(태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율)을 기록했다. 이는 그간 개발된 유연한 유기 태양전지 중 가장 높다. 이 태양전지는 또 5000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 98% 이상을 유지하는 우수한 기계적 내구성을 보였다는 설명이다.

이번에 개발한 기판 일체형 그래핀 전극의 경우 ‘고온 공정’이 필요한 다른 전기 소자에도 적용할 수 있다. 기존 그래핀 전극의 기판으로 이용되는 물질은 고온에서 변형됐으나, 폴리이미드 소재는 400℃ 이상의 고온도 견딜 수 있어 변형이 나타나지 않기 때문이다.

박혜성 교수는 “이번에 개발한 ‘고성능 그래핀 전극’은 유기 태양전지의 효율과 내구성 등을 크게 높였다”며 “향후 태양전지뿐 아니라 고성능 LED, 광센서 등 다양한 차세대 유연 광전소자 개발에도 크게 도움이 될 것”이라고 기대했다.

◇태양전지 상용화 기술 국내 개발 

앞서 포스텍 박태호 화학공학과 연구팀과 이종철 한국화학연구원(KRICT) 박사팀이 공동으로 변환효율을 높여 유기 태양전지 상용화를 앞당길 기술을 개발하기도 했다.

이들은 유기 태양전지 효율을 떨어뜨리고 안정성을 감소시키는 것으로 지적돼 온 광흡수층 상분리 문제를 개선했다. 연구팀은 유기태양전지의 단점인 낮은 변환효율과 짧은 수명 불안정성을 해결할 수 있는 해답을 분자량이 적은 저분자에서 찾았다.

유기 태양전지 분야에서 광흡수층으로 사용하는 저분자 물질은 고분자 물질보다 간단한 합성법으로 공정 단가를 줄일 수 있다. 하지만 저분자 유기 태양전지는 고분자 소자에 비해 광흡수층 상분리 현상으로 인해 효율이 감소하면서 안정성이 저하되는 한계가 있다.

이에 연구팀은 할로젠 원소를 도입해 신규 저분자 물질을 개발해 쌍극자 모멘트 세기 변화를 유도하고 풀러렌 분자끼리 뭉치는 현상을 완화했다. 최적화된 모폴로지가 첨가제 없이 10.5% 높은 전력변환효율을 나타냈다.

그러면서 저분자 기반 태양전지에서 78.0% 충전율을 보였다. 상호보완적 광흡수가 가능한 탠덤형 태양전지에 적용했을 때 최대 15.1% 초고효율을 나타냈다. 그간 보고된 저분자 기반 태양전지의 효율보다 높은 수치다.