차세대 핵심 대체 에너지, 유기태양전지를 만나다

환경오염이 심각해지고 화석에너지가 고갈되면서 청정에너지에 대한 중요성이 커지고 있습니다. 차세대 대체 에너지로 풍력, 조력, 수력 등 다양한 천연자원이 손꼽히는데요. 그 중에서도 공해가 적고 자원이 무한하며 반영구적 수명을 가진 태양전지는 미래 에너지 문제를 해결하는 핵심 열쇠로 떠오르고 있습니다. 오늘은 한 단계 업그레이드된 태양전지인 ‘유기태양전지’에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 태양전지란?

유기태양전지를 이해하기 전에 먼저 태양전지를 이해해야 하는데요. 태양전지란 태양광선을 받아 전기에너지로 바꾸는 장치로 태양으로부터 생성된 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 반도체 소자입니다. 태양전지는 햇빛만 있으면 무한 전기를 생산할 수 있기 때문에 주로 우주비행 물체나 통신 위성의 에너지원으로 사용되고 있어요. 

태양전지는 부식성 화학 물질이 사용되지 않아 공해나 소멸 위험도가 적어 최근 재생에너지원으로 각광받고 있는데요. 현재 생산량과 보급량이 꾸준히 증가하고 있으며, 유럽과 중국, 일본, 대만 등 아시아국가에서 전년대비 120% 이상의 효율을 보이고 있어 전 세계가 주목하는 대체 에너지원으로 자리매김했습니다. 

 

2. 태양전지의 업그레이드 버전 ‘유기태양전지’

1) 유기태양전지란?

앞서 설명 드린 태양전지가 한 단계 업그레이드된 것이 바로 ‘유기태양전지’입니다. 유기태양전지는 빛을 흡수해 전자를 발생시키는 광활성층 소재를 자유자재로 변형할 수 있는데요. 2003년 이후 7년간 발전효율을 3배 가까이 상승시키며 놀라운 개발속도를 보였습니다. 이 같은 속도는 기존의 무기계 태양전지에서는 전혀 볼 수 없던 것으로, 유기태양전지의 높은 가능성을 보여주었습니다. 

유기태양전지는 가시광을 흡수하는 메로시아닌, 프탈로시아닌, 필리륨과 같은 유기색소를 주원료로 사용하는데요. 태양의 빛 에너지를 이용하기 때문에 에너지 고갈 및 환경오염의 위기를 극복할 수 있는 재생가능 에너지 기술로 주목받고 있습니다. 특히 간편한 가공과정과 다양성, 저렴한 제작비용으로 인해 공정 과정에도 어려움이 적답니다. 또한 저가형 혹은 차세대 플렉시블 전자 소자의 전력원 등으로 폭넓게 응용할 수 있어 더욱 큰 기대를 얻고 있습니다. 

 

2) 유기태양전지의 장점 

친환경 유기물을 사용하는 유기태양전지는 기존에 주로 생산되었던 실리콘계 태양전지나 박막 태양전지에 비해 가공이 쉽고 재료가 다양하다는 장점이 있습니다. 뿐만 아니라 제작 비용이 저렴해 경제성이 좋고, 발전 효율이 좋아 원하는 성능에 대한 실현 가능성이 높습니다. 

 

3) 유기태양전지의 활용 범위

유기태양전지는 수많은 장점을 가졌음에도 불구하고 효율이 낮고 수명이 짧다는 단점이 있습니다. 따라서 아직까지는 소규모의 전력을 필요로 하는 MP3플레이어, 휴대전화, 노트북 등 가볍게 휴대할 수 있는 전자기기에 적합한데요. 계속해서 개발이 진행되고 있기 때문에 가까운 미래에는 유기태양전지가 고효율 에너지원으로 큰 역할을 할 것으로 예상하고 있습니다. 

유기태양전지의 효율과 수명이 개선되면 건물 지붕이나 외벽, 텐트, 자동차 유리 등으로 응용범위를 넓힐 수 있는데요. 산소와 수분의 침투를 막아 외부환경으로 인한 수명단축 문제를 해결하면 그 활용 범위는 더욱 넓어질 것으로 보입니다. 

 

3. 유기태양전지의 효율 개선에 중요한 키워드 ‘광활성층 소재’

유기태양전지의 가장 기본적인 재료는 태양광을 직접 흡수해 전자를 발생시키는 광활성층 소재입니다. 유기태양전지는 광활성층 소재를 자유자재로 변형할 수 있어 에너지 효율과 성능을 더욱 높일 수 있는데요. 실제로 기존3%에 불과했던 효율을 7년만에 3배 가까이 높였다는 사례도 있습니다. 

따라서 유기태양전지의 고효율화를 위해선 반드시 우수한 성능의 광활성층 소재 개발이 필수적인데요. 매해 유기태양전지의 최고 효율을 갱신하고 있는 선도기업들은 이미 대학이나 연구소 등과 함께 광활성층 소재 개발에 주력하고 있습니다. 

4. 유기태양전지의 현황 그리고 전망

1) 유기태양전지의 현황

2009년부터 유기태양전지용 도너 소재들이 개발되면서 2010년 8월엔 그 효율이 무려 8.13% 상승했는데요. 이런 발전에 더불어 2016년 현재, 고려대와 이화여대 공동연구팀은 기존 유기태양전지의 단점을 보완한 고효율 유기태양전지를 개발했습니다. 기존 태양전지의 낮은 효율을 극복하기 위해 은 재질의 구조를 활용해 유기태양전지의 빛 흡수를 극대화했고 기존 전극과 비교해 전류밀도·광전변환 효율이 30% 이상 증가했답니다. 

2) 유기태양전지의 전망

2022년, 유기태양전지 시장의 사업 성과는 5억달러를 초과할 전망인데요. 지금껏 사용되어 왔던 1세대 태양전지(실리콘계 태양전지)와 2세대 태양전지(박막 태양전지)에 이어 3세대 태양전지로 자리매김한 유기태양전지는 최근 6년간 60%에 달하는 성장률을 보이고 있어 태양전지발전에 큰 활력을 불어넣을 것으로 보입니다. 

 

 

계속해서 발전중인 유기태양전지. 짧은 수명이라는 기존의 단점을 보완하며 점차 고효율 에너지원으로 거듭나고 있는데요. 앞으로 ‘태양발전’을 활용한 전력 공급이 더욱 확대될 예정인만큼 대체 에너지 분야에서 보여 줄 유기태양전지의 활약이 더욱 기대됩니다.