유기박막태양전지(OPV: Organic Photovoltaic)는 저온도포 프로세스를 통해 제작함으로써 태양전지의 저코스트화가 기대되고 있다.
적은 빛으로도 발전해 한여름에도 발전량이 줄지 않는 발전상의 이점, 가볍고 가공이 용이한 설비상의 이점, 투명성 및 컬러풀성과 같은 디자인상의 이점 등 다양한 메리트가 있다.
이에 따라 범용 전원용 뿐만 아니라 기존 건축물에 대한 설치, 산업자재, 고층 건축물 벽면, 독립전원, 이동체, 전자기기 전력공급, 창틀 소재 등 부가가치를 창출할 수 있을 것으로 예상되고 있다.
OPV는 사용하기 용이하고 범용성이 뛰어난 빛 하베스터로 IoT(사물인터넷) 디바이스 독립전원 뿐만 아니라 전자기기의 보조전원 및 웨어러블(Wearable) 전원, 생체 센싱 디바이스 등으로 다양하게 활용될 것으로 기대되고 있다.
Toray, OPV의 고효율화 추진
OPV는 ITO(산화인듐주석) 등으로 형성된 투명전극 및 발전층, 은, 알루미늄 등으로 형성된 대극으로 구성된다.
OPV의 심장부에 해당되는 발전층은 빛이 닿으면 전자를 방출하는 도너 소재와 방출된 전자를 받아 전극까지 전달하는 억셉터 소재 등 2종류의 발전소재로 구성돼 있다.
태양전지의 광전변환효율은 단락전류(Jsc: Short-Circuit Current density)와 개방전압(Voc: Open-Circuit Voltage)에 좌우되나 OPV의 광전변환효율을 향상시키기 위해서는 특히 Jsc을 늘리는 것이 중요한 것으로 파악되고 있다.
도너 소재는 P3HT(Poly 3-Hexylthiophene)로 대표되는 방향족 폴리머가, 억셉터 소재는 풀레린(Fullerene) 화합물 관련 연구가 활발하나 Jsc 향상에는 특히 빛 흡수를 담당하는 도너 소재의 고성능화가 필수적이다.
태양광을 효율적으로 흡수하기 위해서는 도너 소재에 긴 흡수파장과 높은 흡광계수가 요구된다.
또 빛을 흡수한 후 방출하는 전자와 쌍을 이루는 정전하(정공)를 전자와는 반대 방향으로 신속히 흘려보내기 위해 높은 전하이동도를 보유하고 있어야 한다.
Toray는 빛 흡수와 전하이동 방향이 도너 소재의 주쇄 평면과 직각 관계에 있는 점에 주목하며 연구개발을 추진해 태양전지 기판과 평행으로 폴리머 주쇄 평면이 배향하기 쉬운 화학구조를 도너 소재의 주쇄·측쇄 구조에 도입함으로써 광흡수 특성과 도전성을 모두 갖춘 방향족 폴리머계 도너 소재를 개발했다.
또 OPV 발전층은 도너 소재와 억셉터 소재가 혼합된 구성으로 높은 Jsc를 발현시키기 위해서는 도너 소재와 억셉터 소재 모두 나노 수준으로 연속 상분리하는 것이 요구된다.
발전층의 제막 용매 등 제막조건을 최적화함으로써 미크로 상분리 구조를 실현하고 도너 소재의 높은 배향성으로 높은 Jsc를 얻기 위해 필요한 배향 제어된 후막화를 가능케했다.
해당 기술을 통해 전흡수파장 영역에서 90%를 넘는 외부 양자 효율과 태양광 아래서 광전변환효율이 10% 이상인 OPV를 실현했다.
실용화 위해 내구성 강화 검토…
OPV의 실용화를 위해서는 고효율과 함께 내구성을 확보하는 것이 필수불가결하다.
Toray는 소재, 소자구성, 프로세스 관점에서 고내구화 검토를 추진해 왔다.
도너 소재는 폴리머계와 저분자계로 구분되나 폴리머계는 높은 변환효율을 쉽게 얻을 수 있고 도포방법을 통한 제막이 가능하다는 메리트가 있는 반면, 저분자계에 비해 소재를 특징짓는 것이 태양전지 성능에 불균형을 야기할 수 있다는 단점이 있다.
폴리머 소재 성능에는 분자량, 분자량 분포, 불순물 순도, 입체규칙성, 분기쇄구조, 말단구조 등 다양한 인자가 얽혀있기 때문으로 폴리머 소재의 물성과 유기박막태양전지의 특성에 관한 인과관계는 학술적으로도 정확히 밝혀지지 않은 것으로 파악되고 있다.
Toray는 도너 소재의 원료 및 중합조건, 정제방법 등을 검토해 고효율과 고내구를 안정적으로 재현하는 제조기술을 확립했다.
도너 소재는 경직된 주쇄구조를 보유하는 공액 폴리머이기 때문에 일반적으로 유기용매에 용해되기 쉽고 클로로벤젠(Chlorobenzene) 및 클로로포름(Chloroform) 등 염소계 용매가 제막 용매로서 주로 다용되고 있다.
또 미크로 상분리 구조를 형성시키기 위해서는 단일 용매로는 어렵고 제2용매로서 요소 화합물이 활용되는 사례가 많은 것으로 파악된다.
그러나 할로겐계 용매는 환경부하 및 작업안전 면에서 좋지 않고 발전층 막 안에 잔존함으로써 내구성에 악영향을 미친다.
이에 따라 제막 용매를 심층 연구해 광흡수·캐리어 이동에 필요한 이상적 모르폴로지(Morphology)를 형성 가능하고 막 안에 잔존하기 어렵고 잔존해도 내구성에 악영향을 크게 미치지 않는 비할로겐 혼합 용매계를 발견해냈다.
전하 운송층의 선택·개발도 발전층 품질과 함께 고효율·고내구의 양립을 위해 중요하다.
Toray는 OPV와 구조·구동 원리가 매우 유사한 OLED (Organic Light Emitting Diode) 관련 기능소재 및 노하우를 활용해 내열성과 내광성이 뛰어난 전하운송층 조합을 개발했다.
사물인터넷(IoT) 사회에서는 모든 사물을 무선으로 연결하기 위한 무선통신 디바이스와 구동하기 위한 전원이 필수불가결하다.
그러나 기존 AC(Alternating Current) 전원 및 배터리는 배선 설치 및 전지 교체 등에 시간과 비용이 소요되기 때문에 중장기적으로 연간 1조개 이상 실장될 것으로 예측되는 방대한 센서의 전원을 충당하기 어려울 것으로 파악되고 있다.
이에 따라 주위 환경에 넓리 분포해있는 미이용 에너지를 수확해 전기로 변환시키는 에너지 하베스터의 필요성이 더욱 중요해지고 있다.
환경에서 얻을 수 있는 에너지는 빛, 전파 등 전자에너지를 비롯해 진동, 기계적 변위, 기류 등 역학적 에너지, 온도 차이 등 열에너지가 있으나 빛은 사람이 활동하는 환경에 보편적으로 존재해 출력 안정성 및 신뢰성 면에서 이용가치가 높은 것으로 평가되고 있다.
또 발전 디바이스 코스트 및 환경부하 면에서도 빛 하베스터(태양전지)는 이용하기 쉬운 에너지 하베스터로 파악되고 있다.
빛 하베스터, 광범위 조도에도 발전 안정적
무선통신 디바이스는 실외 등 밝은 환경을 비롯해 실내와 같은 어두운 환경에서도 널리 활용되기 때문에 전원으로 사용하는 태양전지는 광범위한 조도에서 발전하는 것이 요구된다.
c-Si는 실외에 강하나 저조도 환경에서는 발전량이 대폭 줄어들기 때문에 실내에서 사용하는데 적합하지 않은 것으로 나타나고 있다.
a-Si는 IoT 디바이스의 자립전원으로 보급되고 있으나 실내에 강하고 실외에는 적합하지 않는 것으로 파악되고 있다.
반면, Toray의 OPV 모듈은 밝은 장소에서도 어두운 장소에서도 안정적으로 발전하기 때문에 빛 하베스터로서 다양한 환경에서 사용할 수 있는 것이 장점으로 파악되고 있다.
Toray는 센서 생산기업과 협력해 OPV 모듈을 전원으로 이용하는 무선온도 센서를 시험 제작했다.
해당 센서는 2차전지를 실장하지 않고 송신 1회분의 전하 축적할 수 있는 컨덴서만을 탑재하고 있다.
온도 변화가 없어도 15초마다 온도 데이터를 송신하도록 설정했으며 통신방식으로는 극저소비전력 통신이 가능한 EnOcean을 활용했다.
비교를 위해 동일 사이즈의 실내용 a-Si를 탑재한 무선온도 센서도 제작했다.
Toray의 OPV는 a-Si에 비해 적은 광원으로도 구동하며 a-Si이 직사광선에 열화하는 반면 고조도 환경에서도 사용 가능한 것을 확인해 광범위한 조도에서 무선센서를 안정적으로 구동할 수 있는 것을 실증했다.
아울러 무선 온도센서 이외에 무선 조도센서 및 무선 인감센서도 시험 제작해 a-Si에 비해 어두운 환경에서 통신할 수 있는 것을 확인했다.
뿐만 아니라 실제 사용환경에서의 실증과 과제해결을 위해 자체적으로 실증시험을 추진하고 있으며 OPV 구동을 통한 무선 조도센서와 무선 인감센서로 조명을 자동 제어하는 시스템을 일부 사업장의 식당 입구에 도입한 것으로 알려졌다.
조도센서를 통해 밝기를 감지하고 LED(Light Emitting Diode) 조명등을 인감센서로 사람의 존재를 검지해 직관 LED를 조광한다.
최근 친환경 빌딩에 채용되고 있는 세계적인 조명 시스템 DALI(Digital Addressable Lightign Interface)를 활용하고 있으며 2016년 5월 실증시험을 시작해 현재까지 운용하고 있다.
또 a-Si와의 비교를 위해 2차전지를 실장하지 않은 타입의 조도센서를 동일하게 식당입구에 설치해 조명과는 연동하지 않는 형태로 조도 데이터의 송신상황을 모니터링하고 있다.
해당 시험에서는 저녁에 실내가 어두워져 a-Si 탑재 센서가 송신을 중단한 이후에도 OPV 탑재 센서가 구동을 지속하는 모습과 새벽녘 어둑할 때 OPV 탑재 센서가 송신을 시작해 잠시 후 밝아지는 시점부터 a-Si 탑재 센서가 구동하는 모습을 기록하고 있다.
Toray의 OPV는 도너 소재를 중심으로 한 소재 개발, 제막 방법, 소자 구조의 고도화 등을 통해 초기효율 10%, 가속시험 내구성 1000h 이상을 양립하고 있다.
에너지 하베스터로서의 응용 개발을 추진하며 무선센서의 자립전원으로서의 적용을 검토하고 실내용 아몰퍼스 실리콘 태양전지를 뛰어넘는 발전성능을 실증했다.
소재·소자·모듈구조·프로세스 관점에서 완성도를 더욱 높이고 수요기업들과 연계해 조기 실용화를 목표로 하고 있다. <이하나 기자: lhn@chemlocus.com>
