▲ 자가조립단층 기반 계면 제어를 통한 실내광전지/(a) 2PACz 처리된 ITO와 2PACz 혼합된 광활성층을 결합함으로써 전하 이동 수율 향상 및 에너지 대역 정렬로 인한 실내광전지의 전류-전압 곡선, (b) 장치의 에너지 레벨 모식도, (c) 장치의 안정성(그림설명 및 그림제공=고려대학교 전기전자공학부 심재원 부교수)  © 특허뉴스

국내 연구진이 실내조명 환경에서 태양광 발전 효율을 세계 최고 기록인 36% 이상 달성하는 데 성공했다.

한국연구재단은 고려대학교 전기전자공학부 심재원 교수 연구팀과 이화여자대학교 화학나노과학과 박재홍 교수 연구팀이 실내조명과 같은 낮은 세기의 빛 에너지로부터 전력을 생산하는 기술인 ‘차세대 실내용 유기 광전지’ 광학 효율 및 안정성을 극대화하는 핵심기술을 개발했다고 밝혔다.

지속가능하면서 에너지 효율이 높은 기술 수요가 증가하면서 실내 태양광 발전에 대한 관심이 높아지고 있다. 유기물기반 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, 고차원의 분자 조립체로 표면 위에 기능성 분자들의 화학적 흡착에 의해 측면으로 배열하고 있는 형태인 자기조립단층(SAM) 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 재결합과 누설 전류를 크게 억제함으로써 광학 손실을 최소화할 수 있었다. 또한 특정 물질(2PACz)이 처리된 ITO(인듐주석산화물/투명하면서 전류를 흐를 수 있게 하는 전극)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 달성했다. 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.

이번 연구 성과는 해당 분야의 국제학술지인 Nano Energy에 3월 7일 게재되었다. 논문명은 Record Indoor Performance of Organic Photovoltaics with Long-Term Stability Enabled by Self-Assembled Monolayer-Based Interface Management 이다.