폴리머, 실리콘 태양전지 대체 기대
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특허청, 미국이 전체 특허출원 50% 차지 … 낮은 변환효율이 걸림돌 최근 고유가와 온실가스 배출 규제 움직임 속에서 태양광, 풍력, 조력과 같은 대체 에너지를 이용한 발전 분야가 주목을 받고 있는 가운데, 특히 지형이나 기후의 영향을 상대적으로 덜 받는 태양광 발전이 주목되고 있다.태양광 발전은 태양전지(Solar Cell)를 핵심소자로 이용하는 발전시스템으로, 태양전지는 반도체의 p-n 접합부나 정류작용이 있는 금속과 반도체의 경계면에 금지 대폭(Band Gap)보다 큰 에너지를 보유한 태양광이 입사되면 전자-정공이 형성돼 기전력이 발생하는 광기전력 효과(Photo Voltaic Effect)를 이용해 광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자이다. 태양전지는 재료에 따라 무기 태양전지와 유기 태양전지로 구분할 수 있고, 무기 태양전지는 실리콘, 화합물 및 화합물 적층 태양전지로 세분되고, 유기 태양전지는 염료 및 폴리머 태양전지로 세분된다. 2006년 태양전지 시장 기준 95% 이상을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 실리콘의 공급 부족에 따라 가격이 급등하고 있는데, 실리콘의 공급 부족은 최근 중국의 대규모 태양광발전 설비의 증설에 따라 더욱 심화되고 있다. 그러나 최근 들어서는 값비싼 실리콘 태양전지의 대안으로 유기 태양전지, 특히 폴리머 태양전지에 대한 관심이 확대되고 있다. 폴리머 태양전지는 광 에너지를 받아 전자-정공 쌍을 생성하는 광 활성층으로써 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘 대신 반도체 특성을 지닌 폴리머 물질을 이용한다. 특허청에 따르면, 전세계 폴리머 태양전지 관련 특허출원은 2000년까지 10건 내외로 저조했으나 이후부터 급증세를 보이고 있고, 미국이 전체의 50%로 압도적이며 일본, 한국 및 유럽이 뒤를 잇고 있다.
폴리머 태양전지의 낮은 광전변환 효율은 그 재료 및 구조에 기인한 것으로서, 크게 광 활성층의 재료인 유기물의 낮은 광 흡수 효율과, ITO 투명전극의 높은 오믹(Ohmic) 저항을 들 수 있다. 이에 따라, 폴리머 태양전지의 연구도 광 흡수 효율이 좋은 재료 및 전지 구조를 개발하는 방향으로 집중되고 있는데, 최근에는 상이한 흡수 특성을 갖는 두 개의 폴리머 태양 전지를 적층형으로 배치해 광전변환 효율을 극대화한 기술이 광주 과학기술원 이광희 교수팀에 의해 개발되기도 했다. 현재까지 폴리머 태양전지는 다른 태양전지에 비해 월등히 낮은 광전 변환효율 때문에 상용화된 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 수준이 아니다. 그러나 유기물 소재 특유의 유연성, 가벼움, 환경 친화성과, 특히 제조원가를 기존 실리콘 소재 태양전지의 20분의 1 수준으로 낮출 수 있는 경제성 때문에, 장래에는 태양광발전 시장에서 독보적인 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대되고 있다. <김 은 기자> 표, 그래프: | 폴리머 태양전지관련 특허출원 동향(1975-2006) | <화학저널 2008/2/12> |
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