태양 에너지는 우리가 활용할 수 있는 가장 큰 에너지원이지만, 경제적인 측면에서, 수명이라는 측면에서, 그리고 지구 환경적인 측면에서 해결되어야 할 부분들이 많이 남아 있다.

태양 전지는 나뭇잎과 같이 태양빛을 흡수하여 에너지로 변환시키게 된다. 미국 Georgia Institute of Technology 및 Purdue University 소속 연구진은 나무로부터 추출된 자연적인 기판을 활용하여 효율적인 태양전지를 개발하는데 성공했다. 연구결과는 2013년 3월 25일자 Scientific Reports지에 “Recyclable organic solar cells on cellulose nanocrystal substrates”란 제목으로 게재됐다.

연구진은 셀룰로오스 나노결정(CNC; cellulose nanocrystal)이라는 기판 위에 태양 전지를 제작함으로써, 수명이 다한 태양 전지를 물 속에서 쉽게 재활용할 수 있었다. 제작된 유기 태양 전지는 2.7% 수준의 전력 변환 효율을 기록했다. CNC 기판 위에 제작된 유기 태양 전지는 투명하기 때문에, 빛이 유기 반도체 박막에 이를 수 있다. 재활용 과정 동안에 태양 전지는 상온에서 간단하게 물 속에 담기게 된다. 불과 몇 분 안에 CNC 기판은 융해되고, 각 요소로 분해가 이루어진다.

Georgia Institute of Technology 소속 Bernard Kippelen 교수는 본 연구를 통해 실질적으로 재생 가능한, 지속 가능한 신재생 태양 전지 기술의 문을 열었다고 설명했다. 태양 전지 기술에 있어 유기물 기판의 개발 및 성능 향상은 차세대 응용 기술 개발에 있어 중요한 초석이 될 것이다.

지금까지 유기 태양 전지는 통상적으로 유리 또는 플라스틱 기판 위에 제작됐다. 이러한 기판은 재생이 어렵고, 원유 기반으로 제작되기 때문에 환경에도 좋지 않다. 예를 들어, 유리 기판 위에 제작된 전지는 제조 과정 동안에 잘라질 수 있지만 폐기물을 처리하기 어렵고, 종이 기판의 경우 환경적인 측면에서는 좋지만 표면의 거칠기 때문에 성능에 한계가 나타나게 된다. 하지만 셀룰로오스 나노물질의 경우 나무에서 만들어진 녹색 물질로서, 재생 가능하고 또한 지속 가능하다고 할 수 있다. 표면은 2nm 이하의 낮은 거칠기를 갖기 때문에 성능 향상에도 지장이 없다.

연구진은 태양 전지의 광학 특성을 최적화함으로써 앞으로 10% 이상의 전력 변환 효율을 갖는 유기 태양 전지 개발을 진행하고자 한다. 또한 셀룰로오스 나노물질을 생산하기 위해 새로운 산업 육성으로 이어지기 때문에, 일석이조의 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

그림 1. (a) 태양 전지 제작에 있어 기판으로 활용된 CNCs 박막의 투과전자현미경 이미지. (b) 투과도를 나타내는 CNCs 박막의 사진. (c) CNCs 박막의 표면을 보여주는 원자힘현미경 이미지.