광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소 강홍규 책임연구원과 신소재공학과 이광희 교수 공동연구팀이 차세대 반투명 유기태양전지(ST-OPVs)의 투명성과 발전 효율을 동시에 높이는 기술을 개발했다.

 

이번 성과는 기존의 복잡한 다층 구조가 아닌 단순한 소자 설계만으로 투명도와 효율을 모두 확보할 수 있는 전략을 제시한 것으로, 반투명 유기태양전지가 실용화 가능한 차세대 에너지 기술임을 입증했다.

 

유기태양전지는 가볍고 유연하며 용액 공정을 통한 대량 생산이 가능해 건물 일체형 태양광(BIPV), 차량용 태양광(VIPV), 휴대 전자기기 등 다양한 응용이 가능하다. 특히 반투명 구조는 가시광선을 투과시키면서 근적외선만 선택적으로 흡수해 ‘태양광 창문’으로 활용할 수 있다. 하지만 지금까지는 투명도를 높이면 발전 효율이 떨어지고, 효율을 높이면 투명도가 낮아지는 상충관계(trade-off) 문제가 있었다.

 

 

연구팀은 가시광선을 흡수하는 전자주개(donor) 함량을 줄여 투명도를 높이고, 대신 정공 수송 첨가제(Me-4PACz)를 도입해 전하 이동 경로를 최적화했다. 이 첨가제는 광활성층 내부에 퍼지면서 동시에 전극 표면에 홀 전송층(HTL)을 스스로 형성해 전류 흐름을 원활하게 만들고 불필요한 손실을 줄였다.

 

핀란드 아보 아카데미 대학 연구진과의 전기·광학 시뮬레이션 결과, 첨가제가 계면과 벌크 두 영역에서 모두 작용해 전하 재결합을 억제하고 효율 향상에 기여하는 것으로 확인됐다. 계면에서는 접촉 저항을 줄여 전하 추출을 돕고, 벌크 영역에서는 전자-정공 쌍 분리와 이동을 안정화해 소자의 수명도 늘렸다.

 

 

연구 성능 평가에서 평균 가시광선 투과율(AVT) 37.53%, 전력 변환 효율(PCE) 10.7%를 기록했다. 투명도와 효율을 종합 평가하는 광 이용 효율(LUE)은 4.01%로, 동일 조건의 반투명 유기태양전지 가운데 최고 수준을 달성했다.

 

강홍규 책임연구원은 “투명도와 효율 간 상충관계를 해소한 의미 있는 성과”라며 “건축물 창호나 차량 유리 등 투명 구조물과 결합한다면 도시의 에너지 자립에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 이광희 교수는 “첨가제가 계면에서는 홀 전송층을, 내부에서는 전하 손실 억제를 동시에 수행해 성능을 끌어올렸다”며 “새로운 접근법을 제시한 연구”라고 강조했다.

 

이번 연구에는 오주희 석·박사 통합과정생과 린셰핑대, 히거신소재연구센터 연구자가 참여했으며, 과기정통부·한국연구재단 중견연구사업과 세종과학펠로우십의 지원을 받았다. 성과는 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 8월 21일 온라인 게재됐으며, 학문적·산업적 파급력을 인정받아 ‘핫 페이퍼(Hot Paper)’로 선정됐다.

 

헬로티 이창현 기자 |