유기태양전지(OPV)는 2000년대 들어 소재기술 진보와 함께 가장 혁신적인 성능 개선이 이뤄지고 있는 분야다.
OPV는 태양전지 중에서 신형인 3세대 태양전지로 고분자 유기물을 이용한 손쉬운 가공성과 유연성, 다양성, 낮은 재료비에 저비용 소자 제작공정 등 다양한 장점을 갖고 있다. 차세대 저가 태양전지로 기대를 모으고 있는 이유다.
반면 빛을 흡수할 수 있는 층이 ㎚ 수준으로 매우 얇아 광변환 효율이 낮고, 이로 인해 상용화가 어려운 실정이었다.
지난 15일 열린 `재료연구소 소재융합 정기세미나`에서 문상진 박사(한국화학연구원 에너지소재연구센터 책임연구원)는 “OPV의 광변환 효율은 현재 단위소자 기준으로 10% 이상 달성된 상태다. 특히 다양한 반도체성 고분자, 단분자 도너 물질에 전자 수용성이 좋은 플러렌계 억셉터 물질을 채택 적용하면서 성능이 빠르게 개선되고 있다”고 설명했다.
OPV 상용화의 관건인 광변환 효율은 해마다 상승해 2010년 9%대에 진입했고, 2011년에는 10%를 넘어섰다.
미쓰비시는 2011년 10.1%의 광변환 효율 기록을 공개했고, 올해 초 스미토모와 UCLA는 10.6%, 헬리아텍은 12%의 광변환 효율을 달성했다고 발표했다.
국내에서는 올해 초 코오롱인더스트리가 세계 최고 수준인 11.3%의 광변환 효율 달성 성과를 발표해 업계의 관심을 모았다. 코오롱이 달성한 이 수치는 OPV 선두 기업의 최고 효율(10~11%)보다 높은 수준이다.
또 한국화학연구원은 지난 5월 고효율에 저가격, 고내구성을 만족하는 새로운 플랫폼의 무기-유기 하이브리드 이종 접합 태양전지 제조기술을 개발 선보였다. 한국기계연구원은 고가의 투명전극인 인듐산화물전극(ITO)을 대체할 수 있는 `롤투롤 인쇄 메탈 그리드 메시 전극`을 자체 개발, 국내 OPV 상용화 가능성을 제시했다.
하지만 OPV 상용화에는 해결해야 할 숙제가 여전히 많다.
문 박사는 “단위 소자를 넘어 대면적에서 10% 이상의 변환 효율을 달성해야 한다”며 “유기재료의 낮은 전하 이동도와 짧은 수명을 극복해 성능을 극대화하고, 이를 위해서는 광활성 소재 등 고성능 신규소재 개발이 필수”라고 강조했다.
OPV는 광흡수력이 기존 태양전지에 비해 우수하다. 이를 기반으로 태양광 스펙트럼의 장파장까지 흡수할 수 있고 광흡수 계수도 우수한 저밴드갭 도너 물질, 전하 이동도를 획기적으로 개선해 광 안정성을 향상시킨 신규 소재 개발이 선행돼야 한다는 얘기다.
OPV 박막 특성 개선과 소자구조의 최적화 등 부차적인 폭넓은 연구개발도 상용화의 중요 요소다.
문 박사는 “저가의 용액공정에 의한 OPV 소자 제작 시 박막의 나노-모폴로지 제어는 소자 성능에 지대한 영향을 미친다. 공정별 한계와 최적 조건을 도출해 제조라인을 구축하는 것도 매우 긴요하다”고 말했다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
