혁신적 세탁·신축 가능 태양전지, 8% 효율 달성

과학자들이 세탁 가능하고 길이 절반까지 신축 가능한 새로운 유기 초박막 태양전지를 개발했습니다. 공기와 물에서 매우 안정하면서 햇빛을 전기 에너지로 8% 효율로 변환합니다. 몇몇 기업들이 기술 상용화에 관심 보였습니다.

새 태양전지 구조

도쿄 RIKEN 연구소 과학자들이 유기 광전지(OPV) — 태양전지 얇은 유기 활성층 — 를 개발했습니다. 태양에서 오는 빛을 전기 에너지로 8% 효율로 변환하며, 공기와 물에서 매우 안정적입니다.

더 두꺼운 유기층으로 최대 10% 변환율 달성 가능하지만, 약 1마이크로미터 두께 OPV로 8%는 인상적 변환율입니다. 유기 소재가 매우 얇아 찌그러짐 없이 구부릴 수 있습니다.

몇 달 전 같은 층으로 태양전지 만들었지만 충분히 신축성 없었습니다. 이 문제는 나중에 바깥쪽에 고무 같은 엘라스토머 시트들을 통합해(샌드위치 구조) 해결했습니다. 이로써 태양전지가 아코디언 같은 봉우리와 골 구조로 스스로 접히게 됐습니다.

셀에 신축성 부여뿐 아니라 엘라스토머 시트들은 어느 정도 방수돼, 태양전지가 물에서 1시간 40분 기계적 압축 20사이클 견디게 합니다. 20세탁 사이클 후 셀 효율은 단 20%만 감소했습니다.

세탁·신축되는 유기 태양전지

구체적으로, 연구는 고효율(7.9%)과 신축성(52%) 유지하는 세탁 가능 폴리머 태양전지 보여줍니다. 기계적으로 안정적, 초유연 OPV들(총 두께 3마이크로미터)이 안정적 활성층과 역전 구조 결합으로 개발돼, 최대 7.9% 전력 변환 효율 산출, 주변 공기 환경에서 안정적 전력 변환 효율(1개월 후 초기 효율 54% 유지), 신축성 41% 보임.

참조: Nature | doi:10.1038/s41560-017-0001-3 | RIKEN Research

자립형 OPV를 물에 2시간 담갔을 때 효율 저하 20.8%. 유연 OPV를 두 엘라스토머 사이에 샌드위치하면 유의미하게 5.4%로 억제됐습니다.

자립형 OPV 구조

응용 분야

이 태양전지들로 체온, 심박수, 혈압, 전기피부활동 측정 센서 같은 전자 기기 작동 가능. 수많은 센서 내장 섬유들도 있습니다. 이 기술들을 새 태양전지 유형과 합치면 몇 가지 스마트 센서 의류 시스템 개발 가능.

먼 미래에 더 높은 전압 실현되면, 이 세포들이 옷에 통합돼 스마트폰, 태블릿 같은 휴대용 기기 충전에 쓰이고, 언젠가 가정 전기 수요 충족도 가능할 수 있습니다. 태양전지가 가볍고 얇은 배터리와 통합되면 효과 더 개선될 수 있습니다.

실제 응용은 아마 3~5년 뒤일 겁니다. 사실 몇몇 기업들이 기술 상용화에 관심 보였습니다.

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하지만 상용화 두 주요 걸림돌은 태양전지 크기와 비용. 현재 10×10cm로 제한되며 제작비 꽤 비쌉니다. 하지만 이건 주로 활성층 비용 때문. 시트 코팅은 놀랍게 얇아 결국 비용 절감될 것. 시장 큰 기업들이 상용화 결정하면 활성층 소재 대량 생산 새 기술 개발해 비용 낮출 수 있을 겁니다.