흐린 날에도 작동되는 태양 전지 개발

■ 흐린 날에도 작동되는 태양 전지 개발

 

● 햇빛 없는 실내에서도 전기 생산 가능

 

햇빛 없는 흐린 날에도 전기 생산이 가능한 태양 전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST) 광전 하이브리드 연구 센터 손해정 박사팀은 약한 빛에도 효과적으로 전기를 만들 수 있는 신소재를 개발, 이를 태양 전지에서 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층 소재로 사용해 고효율 유기태양 전지를 개발했다고 2019년 11월 24일 밝혔다.

 

차세대 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양 전지는 날씨와 환경에 구애받지 않고 발전할 수 있는 태양 전지 기술을 개발하는 것이 핵심이다. 특히 기존에 상용화된 태양 전지의 경우, 흐린 날씨나 햇빛이 약한 아침과 저녁에는 발전량이 급격히 감소하는 단점이 있다. 때문에 발전할 수 있는 기간과 시간대가 한정적이며 지속적인 전원 공급이 힘들다는 제약이 있었다.

 

유기 태양 전지는 매우 적은 양의 햇빛에도 효과적으로 전기 에너지를 만들 수 있다. 특히 빛을 흡수하는 역할을 하는 광흡수층의 소재를 다양하게 디자인할 수 있어서 소재 개발을 통해 흐린 날에도 태양광 발전량을 향상시킬 수 있다. 하지만, 이러한 장점에도 불구하고 소재 디자인의 원리에 대한 이해도가 낮고, 적합한 소재를 찾지 못해 고효율의 안정적인 유기 태양 전지가 나오지 못했다.

 

KIST 연구진은 기존의 세계 최고 수준의 유기 태양 전지용 고분자 소재에 염소와 황 성분을 활용했다. 개발된 신소재는 약한 빛에도 효과적으로 전기 에너지 생산이 가능하며, 구조 제어를 통해 생성된 전기의 손실을 최소화할 수 있도록 했다. 연구진은 실제로 신소재를 적용한 대면적 유기 태양 전지 모듈을 제작, 평상시 맑은 날뿐만 아니라 흐린 날에도 효과적으로 발전할 수 있는 것을 실험을 통해 확인했다.

 

이 신소재는 태양광의 1/10 수준인 조건에서 기존 소재에 비해 30% 향상된 13.23%의 효율을 보였다. 또 태양 전지 모듈의 경우, 실내 조명인 형광등을 광원으로 사용했을 때도 약 38% 향상된 효율로 전기를 생성할 수 있었다. 이러한 저조도 환경에 최적화된 태양 전지는 향후 적은 전력으로 구동할 수 있으면서 상시 전력 공급이 필요한 스마트 팜이나, 사물 인터넷(IoT) 센서 등에도 적용할 수 있다.

 

손해정 박사는 “이번 성과는 우리나라와 같이 미세 먼지 등으로 흐린 날이 많은 저조도 환경에서 효과적으로 발전할 수 있는 유기 태양 전지용 소재의 핵심 기술 개발에 기여한 것”이라며 “향후 추가 연구를 통해 세계 태양광 시장에서 차세대 태양 전지 핵심 소재를 조기에 선점할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 표지 논문으로 선정되어 게재될 예정이다.

 

■ 극한 환경에도 성능 좋은 태양 전지 개발

 

사막 등 극한 환경에서도 잘 견디는 태양전지를 국내 연구진이 개발했다. 포항공과대학교(포스텍)는 화학공학과 박태호 교수, 이준우 통합 과정팀과 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학 공학부 김진영 교수, 김재원 통합 과정팀이 극한 환경에서도 효율 감소를 잡는 유기 태양 전지를 개발했다고 2019년 10월 10일 밝혔다.

 

유기 태양 전지는 현재 주류인 결정형 실리콘계 태양 전지와 비교해 햇볕에 의해 패널 온도가 올라가면 발전량이 크게 떨어지는 문제가 있다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 식품 첨가제와 자외선 가교 결합을 통해 높은 열 안정성을 지닌 유기 태양 전지를 만들었다. 또한 고독성인 염소 화합물 용매 대신 식품 첨가제로 활용하는 2-메틸란니솔을 사용해 친환경적이고 대량 생산에 적합한 방법을 적용했다.

 

이 전지는 사막과 같은 극한 조건에서도 열과 빛에 의한 효율 손실을 크게 줄일 수 있다고 연구팀은 설명했다. 연구 성과는 에너지 분야 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스 최신 온라인판 표지 논문으로 실렸다. 박태호 교수는 “유기 태양 전지는 가볍고 값이 저렴해 미래 에너지로 주목받지만, 열에 의한 안정성이 낮고, 제조 과정에서 사용되는 독성 물질 때문에 대량 생산이 어려운 단점이 있었다. 이번 연구를 통해 친환경적 공정으로 유기 태양 전지를 상용화할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

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