핫멜트 방법에 의해 옷감에 붙여 초박형 유기 태양 전지 (출처 : 도레이)

일본이 가열을 통한 접착방식으로 옷에 직접 태양전지를 붙이는 기술을 개발했다. 고온에서도 높은 안정성을 가지게 된 덕분이다.

도레이와 일본 문부과학성 산하 과학기술 연구소(리켄),과학기술진흥기구는 공동연구를 통해 내열성과 높은 에너지 변환 효율을 가지는 ‘초박형 유기 태양 전지’ 개발에 성공했다고 지난 17일 밝혔다.

최근 유연한 태양전지는 웨어러블 센서 등을 실현하기 위한 전원으로 큰 기대를 모으고 있다. 하지만 지금까지의 초박형 유기 태양 전지는 충분한 에너지 변환 효율과 내열성을 양립하는 것이 어려워 고온 환경에서의 구동, 열을 수반하는 가공 공정에 적응이 힘들었다.

이에 공동 연구그룹은 보드에서 봉지막까지 모두 합친 두께가 3마이크로미터(μm)로 에너지 변환 효율과 내열성, 대기 안정성을 겸비한 유기 태양 전지의 제작에 성공했다.

이 유기태양전지는 최대 에너지 변환 효율 10%를 달성했다. 100℃의 가열에서도 소자 열화가 무시할 정도로 작은 높은 내열성도 가지고 있다. 또한 대기 환경에서 80일 보관 후 성능 저하도 20% 이하로 억제했다.

연구진은 내열성과 높은 에너지 변환 효율을 가지는 새로운 반도체 폴리머 ‘PBDTTT-OFT’를 합성 했다. 평탄도 및 내열성이 우수한 투명 폴리이미드를 기판에 이용해 종래의 초박형 유기 태양 전지보다 높은 에너지 변환 효율과 내열성을 실현했다.

또한 폴리머와 가스 배리어성이 뛰어난 폴리머의 이중 봉지막을 채용해 대기 안정성을 크게 개선 할 수 있었다.

이러한 고내열성 태양전지로 연구진은 의류 제작시 섬유의 접착 등에 일반적으로 사용되는 핫멜트 기술을 통해 옷감에 붙여 넣기에 성공했다.

옷감의 재질은 폴리에스테르를 사용했으며 초박형 유기 태양 전지와 섬유 사이에 가열에 의해 녹는 폴리우레탄의 용융 필름을 사이에 두고 가열 압착을 해 태양 전지를 천에 붙여 넣었다.연구진은 ‘핫멜트’로 옷감에 올려진 태양 전지에서 특성의 변화나 열화는 관찰되지 않았다고 밝혔다.

새로운 반도체 중합체 및 새로운 기판 재료 밀봉 구조를 결합해 내열성과 높은 에너지 변환 효율을 가진 초박형 유기 태양 전지를 실현하고 태양 전지 성능을 저하시키지 않고 핫멜트 방식으로 옷감에 밀착시키는 데 성공한 것이다.

연구진은 “해당 기술은 고온 다습 환경에서도 안정적으로 구동하는 가벼운 전원의 실현에 기여할 것으로 기대된다” 며 “초박형 유기태양전지는 착용 할 수 있는 장치 및 e-섬유를 향한 장기 안정적인 전원 응용의 미래에 크게 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편, 해당 연구는 미국 과학원 회보 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America’의 게재에 앞서 온라인판(4월16일자)에 게재됐다.