국내 연구진이 유기 태양전지의 실제 특성을 반영해 최대 효율을 예측하는 새로운 이론을 만들고, 이를 활용해 햇빛을 전기로 바꾸는 효율이 20%를 넘는 소재를 개발했다.포스텍 화학공학과 조용준 교수 연구팀은 UNIST 에너지공학과 양창덕 교수 연구팀과 함께 유기 태양전지에서 발생하는 에너지 손실까지 계산할 수 있는 효율 예측 기준을 마련했다고 4일 밝혔다.태양전지는 햇빛을 전기로 바꾸는 장치다. 현재 널리 사용되는 실리콘 태양전지는 효율과 안정성이 높지만 두껍고 무거워 활용 범위에 한계가 있다. 탄소 기반 소재로 만드는 유기 태양전지는 얇고 가벼우며 자유롭게 휘어지는 것이 장점이다. 옷이나 휴대용 기기, 건물 외벽 등에 부착할 수 있어 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.그동안 태양전지가 낼 수 있는 최대 효율은 1961년 발표된 ‘쇼클리-퀘이서 한계 이론’을 기준으로 예측해 왔다. 그러나 이 이론은 원자가 규칙적으로 배열된 실리콘과 같은 무기반도체를 기준으로 만들어져 유기반도체에는 정확하게 적용하기 어려웠다. 유기반도체는 햇빛을 모두 흡수하지 못하거나 흡수한 에너지 일부가 전기로 바뀌지 않고 열과 빛으로 사라진다. 연구팀은 이처럼 실제 유기 태양전지에서 발생하는 손실을 계산에 포함해 보다 현실적인 최대 효율 기준을 제시했다.연구팀은 새 이론을 소재 개발에도 적용했다. 빛을 받았을 때 생기는 전자를 받아 전달하는 ‘전자수용체’의 분자 구조와 배열을 조절해 전기가 이동하기 쉬운 환경을 만들고 에너지 손실을 줄였다. 이를 적용한 유기 태양전지는 햇빛을 전기로 바꾸는 비율인 광전변환효율이 20%를 넘었다. 태양광으로 물을 분해해 수소를 만드는 실험에서도 수중에서 안정적으로 수소를 생산했다.이번 연구는 연구자의 경험과 반복 실험에 의존하던 소재 개발 방식에서 벗어나 목표 성능을 먼저 계산하고 이에 맞는 소재를 설계할 수 있는 길을 열었다는 데 의미가 있다. 조용준 교수는 “새로운 예측 이론을 실제 소재 개발과 성능 향상으로 연결했다”며 “유기 태양전지를 비롯한 차세대 태양에너지 변환 소재를 설계하는 기준이 될 것”이라고 말했다. 양창덕 교수는 “고성능 유기반도체 소재 개발에 필요한 설계 방향을 제시했다”며 “가볍고 유연한 차세대 에너지 시스템의 실현을 앞당길 기반 기술이 될 것”이라고 밝혔다.연구 결과는 화학 분야 국제학술지 ‘미국화학학회지’에 게재됐다.