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2016/06/08 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자

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[이달의 연구자] 유기 태양전지로 태양광 발전의 미래를 보다

6월 이달의 연구자 최효성 교수(화학과)

최연재

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/IdqB

내용
차세대 친환경 에너지로 각광받고 있는 태양광에너지. 우리나라에서 태양광발전은 주로 작은 규모로 사용됐으나 현재는 대규모의 발전소 형태로도 자리를 잡고 있다. 태양광발전에는 빛 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치인 ‘태양전지’의 역할이 중요하다. 최효성 교수(화학과)는 기존에 사용되던 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 ‘유기 태양전지’의 효율을 높일 방안을 연구했다.

실리콘 태양전지 단점 보완한 유기 태양전지


현재 상용화된 태양전지는 대부분 실리콘 등 무기물 반도체를 이용해 만든 것이다. 하지만 실리콘 태양전지는 두께가 수십 마이크로미터에 달해 두꺼운 편에 속한다. 때문에 잘 휘어지지 않고 쉽게 부러진다. 가격이 비싸단 단점도 있다. 이에 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 유기 태양전지가 개발됐다. 유기 태양전지의 두께는 수백 나노미터로 실리콘 태양전지에 비해 매우 얇다. 자유자재로 휘어질 수 있으며, 가격 역시 실리콘 태양전지에 비해 매우 저렴하다.

하지만 유기 태양전지에도 맹점이 존재한다. 가격이 저렴하지만 충분한 전력 효율을 낼 수 없다는 것. 효율을 높이기 위해선 많은 양의 태양광을 흡수해 전기로 변환 가능한 소자가 개발돼야 한다. “실리콘 태양전지는 전력효율이 25%를 넘어야 설치 비용보다 높은 이익을 얻습니다. 하지만 유기 태양전지는 그에 비해 가격이 저렴하기 때문에, 15%의 효율만 달성해도 가격 경쟁력을 가질 수 있습니다.” 아직까지 유기 태양전지의 세계 최고 효율은 11%. 최효성 교수는 유기 태양전지의 효율을 높이기 위한 연구를 진행했다.

2개 고분자 사용이 연구의 핵심


유기 태양전지는 한 개의 고분자와 풀러렌(Fullerene)이란 유도체를 섞어 ‘광활성층(Active Layer)’를 만든다. 태양전지의 두 전극 사이에서 빛을 흡수하는 부분이다. 최 교수는 보통의 태양전지와 달리 2개의 고분자를 사용했다. “한 개의 고분자가 가진 단점을 다른 고분자가 보완할 수 있단 점에 착안해 2개의 고분자 결합을 시도했습니다.” 보통의 경우 두 고분자 결합은 각각의 장점을 없앤다는 문제가 있다. 하지만 이번 연구는 서로의 기능을 보완하는 두 고분자를 찾아냈을 뿐 아니라 이들이 최적의 효과를 내는 결합 비율을 발견했다. 그 결과 10.2%의 효율을 달성한 유기 태양전지를 만들었다.

최 교수가 사용한 것은 ‘PTB7-Th’과 ‘PDBT-T1’란 고분자다. 두 고분자는 어떻게 서로의 역할을 보완할까. 빛 파장은 자외선, 가시광선, 적외선으로 나뉜다. 자외선은 5%, 가시광선은 50%, 적외선은 55%의 태양광을 함유하고 있다. 때문에 빛 흡수율을 높여 태양전지의 효율을 올리기 위해서는 적외선 흡수량을 늘려야 한다. PTB7-Th의 경우 주로 근적외선 부분의 태양광을 흡수한다. PDBT-T1은 상대적으로 자외선과 가시광선 부분의 태양광을 더 많이 흡수해 PTB7-Th의 특성을 보완한다. 두 고분자가 시너지 효과를 낼 수 있는 이유다. 최 교수는 “보통 9~10% 정도의 효율에 달하면 고효율 소자라 불린다”며 “10.2% 정도의 효율이면 굉장히 높은 효율을 달성했다고 볼 수 있다”고 했다.

▲ 왼쪽부터 유기 태양전지 광활성층에 사용된 'PDBT-T1'과 'PTB7-Th'고분자 결합 구조, 고분자의 영역별 빛 흡수량 (출처 : 최효성 교수 논문)


미래 책임질 친환경 에너지


최 교수는 앞으로 차세대 에너지 소자 개발, 이산화탄소 절감 기술 개발, 2차 전지 개발 등의 연구계획이 있다. “차세대 에너지원을 개발하면 환경을 보호할 수 있단 것이 연구를 하는 가장 큰 이유죠. 또 머지않아 화석연료가 고갈되기 때문에 대체연료 개발은 필수적으로 이뤄져야 해요.” 태양광발전만으로 모든 에너지를 대체할 수는 없기 때문. 최 교수는 앞으로도 태양광발전을 보완할 또 다른 친환경 에너지원 개발의 꿈을 갖고 있다.
  

▲ 최효성 교수(화학과)는 앞으로도 태양광 발전을 보완할 또 다른 친환경 에너지원 개발의 꿈을 갖고 있다.

글/ 최연재 기자          cyj0914@hanyang.ac.kr (☜ 이 기자의 다른 기사 보기)

사진/ 최민주 기자       lovelymin12@hanyang.ac.kr

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