▲ 두께 3μm의 초박형 유기태양전지소자를 붙인 흰 셔츠(면 100 %)를 세제 물에 담가 씻고있다(출처 : 일본 과학기술진흥기구).

일본의 연구진들이 역구조 태양전지와 높은 안정성·에너지 변환 효율을 갖는 반도체 폴리머를 결합해 세탁 가능한 초박형 유기 태양전지를 만들었다.

일본의 문부과학성 산하 이화학연구소(리켄)와 과학기술진흥기구(JST), 도쿄대학교 공동연구팀은 신축성과 내수성을 가져 세탁이 가능한 초박형 유기태양전지 개발에 성공했다고 지난 18일 밝혔다.

옷에 붙이는 태양전지는 생체 신호 모니터링을 위한 웨어러블 센서 등의 구동전원으로 중요한 역할을 한다.

이러한 태양전지 실현을 위해서는 △높은 환경 안정성 △높은 에너지 변환 효율 △기계적 유연성의 세 가지 요소를 동시에 충족해야한다. 하지만 종래의 유기 태양 전지는 이것들을 동시에 충족하기가 어려웠다.

특히 매우 얇은 필름을 이용한 경우에는 필름 표면의 평탄성 확보가 어렵고, 기체를 투과시키지 않는 가스배리어 성질이 현저히 저하돼 고성능과 장기간의 안정적인 동작 실현이 어려워 웨어러블 센서용 전원을 실현하는 데 제약이 있었다.

이에 일본의 공동연구팀은 2012년 이화학연구소 응급분자기능 연구그룹이 개발한 새로운 반도체 폴리머인 ‘PNTz4T’을 이용해 역구조 유기 태양전지를 두께 약 1마이크로미터 (1μm 1,000 분의 1mm)의 고분자 재료인 파릴렌(Parylene) 기판위에 제작해 초박형 유기태양전지를 만들었다.

▲ 초박형 유기태양전지를 지지 유리에서 박리 전 (파란색)과 박리 후 (빨간색)의 전류· 전압 특성의 저하 비교해보면 차이가 거의 없음을 알 수 있다. (출처 : 일본 과학기술진흥기구).

제작한 초박형 유기 태양전지는 유리기판에서 박리된 상태에서 높은 에너지 변환 효율을 나타냈다.

태양광 (출력 100mW/cm²) 조사 시 단락 전류 밀도(JSC)가 16.2mA/cm², 해방 전압은 0.71V, 필 팩터는 69%, 에너지 변환 효율 7.9%를 달성했다.

또한 세탁시험에서는 흑 수성펜으로 유기 태양전지 표면에 얼룩을 넣으면 전류가 크게 감소했지만, 10%의 중성세제를 넣은 물에 유기 태양전지를 넣고 5분간 휘저어 섞어 세탁하면 이전의 상태로 에너지변환효율이 돌아왔다.

▲ 3μm의 초박형 유기 태양전지 필름을 2개의 고무로 샌드위치형식으로 넣어 신축성과 내수성을 가지는 유기 태양 전지를 실현했다(출처 : 일본 과학기술진흥기구).

뿐만아니라 초박형 유기 태양전지를 미리 인장시킨 2개의 고무로 두께 3μm의 초박형 유기 태양전지를 양방향 마주해 신축성을 유지하면서 내수성을 향상시켰다.

고무를 장치한 유기 태양전지는 120분의 수중 침지에서도 에너지 변환 효율의 저하는 5% 정도이며, 물방울을 장치에 적하해 일정시간 유지하면서 약 50%의 신축을 반복할 때에도 에너지 변환 효율은 초기 80%를 유지했다.

공동연구진은 “이는 지금까지 보고된 유연한 유기 태양전지의 효율이 4.2% 인 것과 비교해 2배에 가까운 효율의 개선”이라며 “또한 장치를 약 50%까지 없애도 안정적으로 구동하여 매우 높은 기계적 유연성을 가지는 것을 확인했다”고 밝혔다.

공동연구진은 “이번 성과는 착용 할 수 있는 장치 및 섬유를 위한 안정적이고 장기적인 응용전원 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다.

한편, 해당 연구는 과학기술진흥기구 전략적 창조 연구 추진사업 개인형연구의 연구과제의 일환으로 진행됐으며, 영국 과학 잡지 ‘Nature Energy’ 에 9월18일자로 게재됐다.