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태양전지 주원료인 값비싼 실리콘 대체 물질, 폴리머 류준상 |
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폴리머 태양전지 관련 특허 출원 급증
최근 고유가와 온실가스 배출 규제 움직임 속에서 태양광, 풍력, 조력과 같은 대체 에너지를 이용한 발전 분야가 주목을 받고 있는데, 이 중에서 지형이나 기후의 영향을 상대적으로 덜 받는 태양광 발전이 특히 주목받고 있다.
태양광 발전은 태양전지(Solar Cell)를 핵심소자로 이용하는 발전시스템인데, 태양 전지는 반도체의 p-n 접합부나 정류작용이 있는 금속과 반도체의 경계면에 금지 대폭(Band Gap)보다 큰 에너지를 갖는 태양광이 입사되면, 전자-정공 쌍이 형성되어 기전력이 발생하는 광기전력 효과(Photo Voltaic Effect)를 이용하여 광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자이다.
태양 전지는 그 재료에 따라 무기 태양 전지와 유기 태양 전지로 나눌 수 있고, 무기 태양 전지는 실리콘, 화합물 및 화합물 적층 태양 전지로 세분되고, 유기 태양 전지는 염료 및 폴리머 태양 전지로 세분된다.
2006년 태양 전지 시장 기준으로 95% 이상을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 실리콘의 공급 부족에 따른 가격이 급등하고 있는데, 실리콘의 공급 부족은 최근 중국의 대규모 태양광 발전 설비의 증설에 따라 더욱 심화되고 있는 실정이다.
이와 같이 값비싼 실리콘 태양전지의 대안으로 유기 태양전지, 특히 폴리머 태양전지에 대한 관심이 증대되고 있는데, 폴리머 태양전지는 광 에너지를 받아 전자-정공 쌍을 생성하는 광 활성층으로써 단결정 실리콘이나 다결정 실리콘 대신 반도체 특성을 지닌 폴리머 물질을 이용한다.
현재 폴리머 태양전지의 상용화에서 가장 큰 걸림돌은 낮은 광전 변환 효율이다. 폴리머 태양전지의 낮은 광전변환 효율은 그 재료 및 구조에 기인한 것으로서, 크게 광 활성층의 재료인 유기물의 낮은 광 흡수 효율과, ITO 투명전극의 높은 오믹(Ohmic) 저항을 들 수 있다. 이에 따라, 폴리머 태양전지의 연구도 광 흡수 효율이 좋은 재료 및 전지 구조를 개발하는 방향으로 집중되고 있는데, 최근에는 상이한 흡수 특성을 갖는 두 개의 폴리머 태양 전지를 적층형으로 배치하여 광전변환 효율을 극대화한 기술이 광주 과기원 이광희 교수팀에 의해 개발되기도 하였다.
현재까지는 폴리머 태양전지는 다른 태양전지에 비해 월등히 낮은 광전 변환 효율 때문에 상용화된 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 수준이 아니다(널리 상용화된 다결정 실리콘 태양전지의 효율이 16% 정도인데, 폴리머 태양전지는 실험실 수준에서 6.5% 정도가 최고임). 그러나 유기물 소재의 특유의 유연성, 가벼움, 환경 친화성과, 특히 제조원가를 기존 실리콘 소재 태양전지의 1/20 수준으로 낮출 수 있는 경제성 때문에, 장래에는 태양광 발전 시장에서 독보적인 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
한편 특허청(청장 전상우) 자료에 따르면, 전세계 폴리머 태양전지 관련 특허출원 전체건수는 2000년까지 10건 내외로 저조했으나 그 이후부터 급증세를 보이고 있고, 국가별 누적 특허출원 건수로는 미국이 전체건수의 50%로 압도적이고, 일본, 대한한국 및 유럽이 그 뒤를 잇고 있다. 국내 특허출원은 아직은 그 건수가 미미하나 2001년 이래로 지속적으로 증가하는 추세이고 앞서 살펴본 폴리머 태양전지만의 장점을 고려하면 앞으로 활발한 연구 및 특허출원이 기대된다.
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