[사이언스 읽기] 유기 박막 태양전지(OPV) 최근 트렌드

science지에 올라온 유기박막 태양전지에 대한 글 일부 읽어보기

 

[유기 박막 태양전지 OPV 최근 이야기]

 

 

지난 2021년 11월 독일의 한 시립 온수 저장 시설에 10m 높이의 원통형 탱크 외부에 총 18개의 태양전지 판을 붙이는 작업이 있었습니다.

 

이때, 사용된 태양전지는 일반적으로 알고 있는 평평하고 단단한 실리콘으로 이루어진 네모 패널이 아닌, 독일 태양광 회사인 Heliatek에서 만든 초박형 유기 필름이었습니다. 필름이라는 것은 태양광 패널이 유연하게 구부릴 수 있다는 의미 입니다.

 

Heliatek는 사무실 타워 옆면, 버스 정류장의 곡선 지붕, 풍차에 패널들을 지난 몇 년 동안 장착해 왔습니다. 이 회사의 최고 기술 책임자는 아직 태양전지기술이 적용되지 않은 거대한 마켓이 있다고 하면서, 태양광 발전, 적용 범위를 넓히는 것이 목표라고 하였습니다.

 

Heliatek사 만들었다고 하는 패널은 OPV태양전지인데, OPV는 Organic photovoltaics 의 줄임말이며, 한마디로 유기물로 이루어진 태양전지라는 의미입니다. 잘 알려진 OPV의 장점은 기존 태양전지인 실리콘 패널보다 10배 이상 가벼우며, 생산 비용이 절반 정도 밖에 안되기도 합니다. 일부는 투명하게도 만들 수 있기 때문에, 건물의 옥상 뿐만아니라 창문에도 사용이 가능합니다. 과학 상상도에 나오는 모습 같네요. Heliatek사 기술 책임자는, 모든 건물을 전기를 생산할 수 있는 건물로 바꾸고 싶다고 했습니다.

 

Heliatek에서 제작한 패널은 실제로 상용화된 몇 안 되는 OPV 중 하나이며, 태양광 에너지의 약 9%를 전기로 변환할 수 있습니다. 최근 몇년 동안 실험실에서 만든 프로토 타입에서는 거의 20% 가까이 되는 효율을 보여주면서, 기존의 실리콘 패널이나 또다른 태양전지의 한 종류인 CIGS 태양전지에 거의 근접한 것 같은 결과를 보여주기도 하였습니다.

(*CIGS는 copper-구리, indium-인듐, gallium-갈륨, selenium-셀레늄 의 조합으로 이루어진 물질을 통칭해 부른 말입니다.) 

실리콘이나 CIGS 태양전지는 상당히 제한된 화학조성으로 이루어지는 반면, OPV 태양전지는 비교적 다양한 물질과 조합으로 만들어 낼 수 있습니다. 조금 더 자세히 설명하자면, 실리콘은 Si 하나의 원소로, CIGS도 위에서 말한 4가지 원소로 이루어져 있으며, 일부 다른 원소를 미량으로 섞을 수는 있으나, 아예 치환해 버리면 효율이 잘 나오지 않는 다는 것입니다. 조성이 변화될 수 없다면 전기적, 광학적 특성도 바뀔 수 없습니다. 반면, OPV는 이미 다양한 유기 물질에 대해 사용 가능함이 확인되었으며, OPV 물질의 일부 결합을 바꾸어 다양한 튜닝이 가능합니다.

왜 이러한 튜닝이 필요할까요? 쉽게 말하면 상황에 맞게 조절하기 위해서 입니다.
예를 들어, 효율은 별로 높지 않은데 창문에 붙일 만큼 적당히 투명한 태양전지를 만들고 싶다고 생각해 봅시다. 실리콘 태양전지는 이게 가능할 여지가 없습니다. 왜냐하면 Si으로 이루어진 결정질은 투명할 수 없기 때문입니다. CIGS도 마찬가지 입니다. 간단 무식하게 예시를 들었습니다만, 더 자세하게는 전기적/광학적인 조건에 맞는 각각의 태양전지를 만들기 위해서 이러한 튜닝들이 엔지니어 입맛대로 가능해야 활용하기 좋습니다.

이렇게 OPV의 장점만 본다면, 너무나 매력적인 태양 전지이지만 단점 또한 아주 크기 때문에 아직은 더 발전이 필요한 단계입니다. OPV는 구성물질이 유기 물질로 이루어져 있기 때문에 기존의 실리콘이나 CIGS와 같은 무기물질로 이루어진 태양전지보다는 근본적으로 안정성이 낮을 수 밖에 없습니다. 뜨거운 태양열을 받으면서 OPV는 그리 오래 버틸 수 없을  것 입니다. 태양열을 못 버티는 태양전지라... 좀 그렇죠 !?

 

또한, 실험실에서는 매우 작은 사이즈로 만들기 때문에, 효율 20%에 가까이 도달 할 수 있었으나, 이것을 큰 패널로 만들어서 동일한 효율이 나오게 하는 것은 정말로 어려운 일이기 때문에, 큰 패널로 20%의 효율을 내기에는 앞으로 공정에 대한 연구가 많이 이루어져야 할 것입니다.

그럼에도 OPV를 좋아하는(?) 지지하는 사람들은 기존의 실리콘 태양전지를 OPV가 완전히 대체할거라고는 생각하지 않습니다. 다만, 실리콘 태양전지가 적용하지 못하는 영역에 있어서는 OPV가 적용될 수 있다고 생각하는 것 같습니다. 과연 잘 될 수 있을까요?