유기태양전지는 가볍고 유연한 특성을 지녀 건물 벽면이나 차량, 의류 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 최근 연구를 통해 20% 이상의 높은 효율이 보고되고 있지만, 대부분의 성과는 먼지와 수분, 산소 유입이 엄격히 통제된 클린룸이나 글러브박스 환경에서만 구현이 가능했다. 반면 공장과 같은 실제 산업 현장의 일반 대기 환경에서 제작될 경우에는 효율이 크게 떨어져 상용화의 주요 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 기존 고효율 유기태양전지 소재인 Y6 계열을 기반으로 구조를 단순화한 신규 광활성층 소재 ‘M-Y6 시리즈’를 개발했다. 광활성층이란 태양빛을 흡수해 전기를 만들어내는 핵심층으로, 태양전지 성능을 좌우하는 중요한 구성 요소다. 연구팀이 개발한 M-Y6 시리즈는 기존 소재의 우수한 광학적·전기화학적 특성은 유지하면서도 분자 구조를 보다 단순하게 설계해 제조 비용을 낮추고 생산성을 높인 것이 특징이다.

특히 M-Y6 시리즈는 높은 결정성과 분자 정렬 특성을 갖도록 설계돼 주변 환경 변화에 대한 민감도를 크게 낮췄다. 그 결과 수분에 취약한 기존 유기태양전지의 한계를 극복하고, 습도 65%에 달하는 고습 환경에서도 19%에 육박하는 높은 광전변환효율을 안정적으로 구현하는 데 성공했다. 연구팀은 별도의 특수 장비 없이 상부 전극을 제외한 모든 제조 공정을 일반 대기 환경에서 수행했음에도 세계 최고 수준의 성능을 달성하며 유기태양전지 상용화 가능성을 한층 높였다.

이번 연구는 연구실 수준의 성과를 넘어 산업 현장 적용 가능성을 보여줬다는 점에서도 의미가 크다. 연구팀이 개발한 기술은 필름 형태의 태양전지를 연속적으로 생산하는 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정에 적용할 수 있어 대량 생산 체계 구축에도 유리하다. 또한 해외 의존도가 높은 핵심 소재 기술의 국산화 가능성을 제시하며 국내 차세대 태양전지 산업 경쟁력 강화에도 기여할 것으로 기대된다.

문두경 교수는 “이번 연구는 최근 글로벌 시장에서 중요성이 커지고 있는 태양전지 핵심 소재 기술의 국산화와 독자 기술 확보 측면에서 의미 있는 성과”라며 “그동안 상용화를 가로막았던 고가의 진공 장비와 클린룸 의존도를 크게 낮출 수 있게 됐다”고 말했다. 이어 “향후 휴대용 전자기기 충전기는 물론, 차량 일체형 태양전지(AIPV), 건물일체형 태양전지(BIPV) 등 다양한 차세대 산업 분야에 적용돼 유기태양전지 상용화를 앞당길 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술산업화진흥원(COMPA)의 ‘공공연구성과 가치창출 기술키움사업’과 한국에너지기술평가원(KETEP)의 ‘인력양성사업’ 지원을 받아 수행됐다. 건국대학교 전성재 박사가 제1저자로 연구를 주도했으며, 양남규 박사와 김지연 박사가 공동 연구자로 참여했다. 또한 대구경북과학기술원(DGIST) 조은경 박사와 울산과학기술원(UNIST) 박지원·이건헌 박사과정 연구원, 양창덕 교수가 공동저자로 참여해 연구를 수행했다.