유기태양전지의 시대, 무한에너지의 시대가 될 것

재생 가능한 에너지를 개발해야 한다는 목소리는 탈원전 시대를 맞이하면서 점점 커지고 있다. 원자력 에너지에 대한 불신, 화석연료의 고갈에 대한 우려의 목소리는 수십 년간 그대로이다. 풍력, 수력 에너지 모두 친환경 에너지를 자부하지만 발전소 건설과정에서 환경을 파괴한다는 점에서 한계가 있다. 결국 인류는 혁신적인 에너지원을 발견하지 못하는 한 무한한 태양에너지를 이용할 수밖에 없다.

 현재 사용되는 태양전지는 대부분 1세대 실리콘 태양전지로 전체 시장의 80~90%를 차지하고 있다. 이들은 높은 에너지 효율과 풍부한 실리콘으로 우위를 점하고 있다. 하지만 높은 제조단가와 실리콘 공정 과정에서 발생하는 환경오염물질 때문에 문제가 심각해지고 있다. 태양전지는 일반적으로 P형 반도체와 N형 반도체의 접합으로 이루어진다. 빛 에너지가 투과되는 레이어에 반사방지막을 바른 후 N형 반도체, P형 반도체, 전극 순서로 구성되어있다. 빛 에너지가 태양전지를 투과하면 에너지에 의해 전자, 정공 쌍이 생기게 되고 이들은 서로 반대의 전극으로 이동한다. 이렇게 형성된 전위차이가 전류를 흐르게 하는 것이다.

 실리콘 태양전지의 대안으로 새롭게 부상하고 있는 것이 유기태양전지이다. 3세대 태양전지에 속하는 유기태양전지는 오늘날 낮은 효율이 문제점으로 꼽히지만 낮은 단가와 환경오염도가 적은 것이 장점으로 여겨진다. 일반적으로 유기태양전지의 구조는 유리판 위에 ITO(Indium Tin Oxide), P3HT:PCBM, PEDOT:PSS과 전극을 연결한 형태이다. 은 코팅을 주로 하나 마그네슘, 알루미늄과 같은 금속도 이용할 수 있다. 유기태양전지의 문제점인 낮은 효율을 극복하기 위해 첫째, 흡광계수가 큰 물질을 이용해야 한다. P3HT:PCBM을 사용할 때 P3HT는 주로 전자 주개(Electron Donor), PCBM은 주로 전자 받개(Electron Acceptor)로 이용되는데 P3HT의 낮은 에너지 준위에서 들뜬 상태까지 빛이 흡수된 후 PCBM의 높은 에너지 준위로 전자가 에너지를 방출해야 하기 때문에 비효율적이다. 전자 주개의 낮은 에너지 준위에서 바로 전자 받개의 높은 에너지 준위로 전자의 전이가 일어나는 것이 효율성을 높이는 방안으로 여겨진다. 둘째, 빛을 흡수하여 생기는 정공과 전자가 손실되지 않은 채 전극으로 이동해야 한다.

[이미지 촬영=대한민국청소년기자단 4기 김용준기자]

 유연한 유기 태양전지는 오늘날 최대 10% 효율을 보여 많은 개선이 이루어졌다. 상업화의 기준으로 여겨지는 15% 효율을 위해 새로운 유기 p형 반도체, n형 반도체, 전극, 전지 형태의 개발이 활발하다. 상업화가 가능할 수준까지 효율이 증가하면 소자의 경량화와 유연성 획득이 가능해진다는 점에서 실리콘보다 큰 이점이 있다. 재료비와 소자제작 비용도 저렴해 건물 벽면 전체를 유기태양전지로 덮는 등 대량생산이 가능해진다. 우리나라의 경우 아직 선진 연구에 비해 살짝 뒤처져있지만 머지않아 기술 수준을 따라잡기를 기대한다. 굉장히 유망한 분야이기에 미래 먹거리 산업, 고부가가치 산업으로서의 가치도 충분할 것으로 예상된다.

[대한민국청소년기자단 IT·과학부=4기 김용준기자]