국내 연구진이 효율 10%를 넘는 고성능 반투명 유기태양전지를 개발하며, 일상 속 스마트폰 보호필름이나 건물 유리창 등을 ‘투명 발전소’로 활용할 수 있는 가능성을 열었다.
태양광을 눈에 띄지 않게 활용해 전력을 생산하는 기술로, 향후 웨어러블 디바이스와 건물일체형 태양광(BIPV) 시장에 획기적인 전환점이 될 것으로 기대된다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 양창덕 교수 연구팀은 10.81%의 광전변환효율(PCE)과 45.43%의 가시광선 투과율(VT)을 동시에 구현한 반투명 유기태양전지를 개발했다고 15일 밝혔다.
이 수치는 반투명 태양전지 분야에서 세계적 수준으로, 투명성과 효율을 동시에 확보한 점에서 의미가 크다.
기존 태양전지는 광흡수 효율을 높이기 위해 대부분 불투명하고 어두운 색을 띤다.
하지만 이번에 개발된 태양전지는 사람의 눈에 보이지 않는 적외선만을 선택적으로 흡수하면서도, 가시광선은 절반 가까이 투과시켜 외형상 ‘투명’에 가까운 모습을 구현했다.
즉, 외관을 해치지 않으면서도 태양광으로 전기를 생산할 수 있게 된 것이다.
이 기술의 핵심은 광활성층에 있다. UNIST 연구팀은 태양광 중 적외선만 흡수하는 고성능 광활성층을 설계하고, 이를 구성하는 수용체 분자 구조에 새로운 전략을 도입했다.
새롭게 합성한 ‘4FY’ 수용체 분자는 A–D–A 구조의 대칭형이면서도 분자 내 비대칭적 상호작용이 일어나도록 설계됐다.
불소, 수소, 황 원자 간의 국소적 인력이 분자 간 정렬도를 향상시켜 전자의 이동 경로를 원활하게 만들고, 결과적으로 전지 효율을 크게 향상시킨 것이다.
연구팀은 이번에 개발한 태양전지가 실제 외부 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있는지를 확인하기 위해 총 134시간 동안 주야간 조건을 모사한 ‘다이얼 사이클 안정성 테스트’를 수행했다.
그 결과 초기 성능의 대부분을 유지했으며, 기존 Y6 수용체 기반 태양전지 대비 약 17배 향상된 수명을 기록했다.
양창덕 교수는 “가시광선이 아닌 적외선으로 전력을 생성하는 새로운 방식을 제시했다”며 “스마트폰 보호필름, 건물 유리, 차량 창문, 투명 디스플레이 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다”고 설명했다.
그는 이어 “이번 연구는 투명성과 고효율을 동시에 구현할 수 있는 유기태양전지 개발에 있어 중요한 진전을 의미한다”고 강조했다.
이번 연구는 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’에 6월 10일 자로 정식 게재됐다.
향후 관련 산업에서의 기술 상용화가 주목되고 있으며, 지속 가능한 에너지 생산을 위한 새로운 솔루션으로 기대를 모으고 있다.
배동현 ([email protected]) 기사제보
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