실내 조명으로 태양광 발전‘세계 최고 효율 달성’

- 새로운 소재 적용한 실내광전지 광학 효율 36% 이상 기록

한국연구재단(이사장 이광복)은 고려대학교 전기전자공학부 심재원 교수 연구팀과 이화여자대학교 화학나노과학과 박재홍 교수 연구팀이 차세대 실내용 유기 광전지¹⁾ 광학 효율 및 안정성을 극대화하는 핵심기술을 개발했다고 지난달 1일 밝혔다.
  지속가능하면서 에너지 효율이 높은 기술 수요가 증가하면서 실내 태양광 발전에 대한 관심이 높아지고 있다. 유기물기반²⁾ 실내광전지는 저전력 실내 전자 장치의 차세대 광원으로 주목받고 있다. 전통적인 태양광 발전 기술은 어두운 조명 조건 등으로 인해 실내 적용이 적합하지 않아 새로운 재료와 장치 개발이 필수이다. 현재까지 개발된 실내광전지는 실용성을 보장할 수 없으며, 특히 전력 변환 효율(PCE) 값과 수명에서 대대적인 보완이 필요하다.
  연구진은 실내 태양광 전지의 성능을 높이기 위해 박막의 재료를 새롭게 개발하고 표면의 성질을 조절하는 방식으로 접근했다. 먼저, 자기조립단층(SAM)³⁾ 기반의 재료 중 특정 물질(2PACz)을 광활성층에 활용했는데, 마치 물과 기름처럼 자발적인 수직 상분리를 이루면서 수직 구성물 분포를 형성했다. 이는 전하이동 수율을 크게 개선하여 실내광전지의 재결합⁴⁾과 누설 전류를 크게 억제함으로써 광학 손실을 최소화할 수 있었다. 또한 특정 물질(2PACz)이 처리된 ITO(인듐주석산화물)⁵⁾를 사용하여 효율적인 에너지 정렬을 제공, 보다 효율적인 경로로 전하이동을 수행할 수 있게 되었다.
  위와 같은 과정으로 최적화된 실내광전지는 일반적인 실내조명 (White LED 1000 lx) 환경에서 36% 이상으로 세계 최고 효율이라는 기록적인 PCE를 달성하였다. 또한 이 장치는 캡슐화 없이 대기 중에서 1,800시간 후에도 초기 효율의 95% 이상을 유지함으로써 장기적 안정성이 매우 우수함을 보여주었다.
  심재원 교수는 이번 성과에 대해 “실내광전지가 높은 효율과 장기적 안정성을 동시에 달성하는데 막대한 잠재력을 가지고 있음을 보여준다”며 “웨어러블 전자 장치와 실내 환경 등에서 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기본연구, 선도연구센터사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 해당 분야의 국제학술지인 ‘Nano Energy’에 3월 7일 게재되었다.

[주요내용 설명]

1. 연구의 필요성

에너지 효율적이고 비용 효율적인 재생 가능 에너지원에 대한 수요는 실내 환경에서 빠르게 증가하고 있다. 실내광전지는 기존 전원에 대한 의존도를 줄이고 더욱 지속 가능한 미래에 이바지할 수 있다. 다양한 전자 장치에 실내광전지를 실용적으로 적용하려면 기존 기술과의 추가적인 최적화 및 통합이 필요하다. 실내광전지 안정성과 내구성은 여전히 개선되어야 한다.

2. 연구내용

2PACz 처리된 ITO와 2PACz 혼합 광활성층을 결합하여 어두운 조명 하에서 실내 유기 태양광 발전(OPV)의 성능을 향상시키기 위한 연구를 수행한다. 우리의 접근 방식은 자발적인 수직 위상 분리를 형성하여 성능을 크게 향상 시켰으며, 이는 더 높은 자유 전하 생성 수율, 긴 캐리어 수명, 강한 분자 패킹, 누출 전류 및 트랩 지원 재결합을 감소시켜 충진률(FF)가 크게 증가한다.
  또한, 2PACz 처리된 ITO를 사용함으로써 효율적인 에너지 정렬을 제공하여 보다 효율적인 경로로 전극으로의 전하 이동을 효과적으로 수행하여 개방 회로 전압(open circuit voltage, Voc) 측면에서 성능이 향상한다. 결과적으로, 최적화된 실내 광전지는 어두운 실내 조명 조건에서 36% 이상의 기록적인 PCE에 도달한다.
  실내 광전지는 캡슐화 없이 1000시간 후에도 PCE를 최대 95%까지 유지하면서 놀라운 주변 안정성을 보여준다. 광전변환 효율: 빛에너지를 전기에너지로 변화시키는 효율. 이 현상을 일으키기 위한 빛과 전기의 중개자로 광전효과를 이용한다.
  자기조립단층(self assembled monolayer: SAM)은 고차원의 분자 조립체로 표면 위에 기능성 분자들의 화학적 흡착에 의해 측면으로 배열하고 있는 형태를 말한다.

그림 1. 자가조립단층 기반 계면 제어를 통한 실내광전지.

논문명
Record Indoor Performance of Organic Photovoltaics with Long-Term Stability Enabled by Self-Assembled Monolayer-Based Interface Management
저  자
심재원 교수(교신저자/고려대학교), 박재홍 교수 (교신저자/이화여자대학교), 김태혁 석박사과정(제1저자/고려대학교), 박나원 (공동저자/이화여자대학교),  무하마드 아산 사이드(Muhammad Ahsan Saeed) (공동저자/고려대학교), 정상영 (공동저자/고려대학교), 우한영 교수 (공동저자/고려대학교)

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