높은 투명도를 유지하면서 전력을 생산할 수 있는 태양전지가 탄생해 스마트 도시와 친환경 에너지 시장에서 큰 파급 효과를 일으킬 것으로 전망된다.

UNIST 에너지화학공학과 양창덕 교수팀이 창문이나 모바일 기기 화면을 ‘투명 발전소’로 활용할 수 있는 반투명 유기태양전지를 개발했다고 15일 밝혔다.

이번 연구에서는 10.81% 이상의 광전변환효율과 45.43%의 가시광선 투과율을 기록하는 태양전지가 탄생해, 기존 태양전지의 어두운 외관 문제를 획기적으로 개선하는 동시에, 높은 투명도를 유지하면서 전력을 생산할 수 있는 가능성을 제시한다.

태양전지는 일반적으로 지붕이나 길가에 설치 시 태양광을 흡수해 전기로 변환되기 때문에 어둡게 보인다.

반면에 사물이 투명하게 보이려면 태양광이 통과해야 하는데, 이 두 기능을 동시에 만족하기란 상당한 어려움이 있었다.

이에 양창덕 교수팀은 태양광 중 우리 눈에 보이는 가시광선은 45% 정도 통과시키면서, 보이지 않는 적외선 대역만을 선택적으로 흡수하는 고성능 광활성층을 개발하였다.

연구진이 합성한 ‘4FY’ 수용체 분자는 A-D-A 구조의 대칭형이면서도, 불소와 수소, 불소와 황 사이의 국소적인 비대칭 상호작용을 유도하도록 설계됐다.

이러한 분자 구조 설계는 분자 간 정렬도를 개선해 전하 이동 경로를 확보하고, 전지 효율을 한층 높이는 동시에 기존 Y6 수용체 기반 반투명 태양전지 대비 약 17배 향상된 내구성을 입증했다.

제1저자인 양상진 연구원은 “비대칭성이 전지 효율을 높이는 동시에 수명 단축 문제를 야기하는 경우가 많은데, 국소적인 비대칭성을 도입하여 양 측면의 장점을 모두 살린 분자 구조를 구현했다”고 설명했다.

또한 연구팀은 주야간 반복 조건의 실외 환경을 모사한 ‘다이얼 사이클(일주기) 안정성 테스트’에서 총 134시간 동안 초기 성능의 대부분을 유지하는 높은 내구성을 보였다.

이와 같은 성과는 반투명 유기태양전지가 건물 유리창, 스마트폰 보호필름, 투명 디스플레이 등 다양한 실생활 응용 분야에 적용될 수 있음을 보여준다.

양창덕 교수는 “우리 연구진이 개발한 이번 반투명 태양전지는 눈에 보이지 않는 적외선 에너지를 활용해 전기를 생산하는 새로운 방식의 태양전지”라며 “미래에는 기존의 어두운 태양전지 대신, 투명한 발전소 개념으로 건물이나 모바일 기기의 화면에서 전력을 생산할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 Angewandte Chemie International Edition에 6월10일 게재됐으며, 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 산업통상자원부 및 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 진행됐다.