유기태양전지 소재의 성능을 확인할 수 있는 새로운 기술

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-28

미 노스캐롤라이나주립대학(North Carolina State University)의 연구진은 차세대 저비용 태양발전기술 후보 중 하나인 유기태양전지(Organic Solar Cell)의 효율과 관련하여 소재 구조가 주는 영향을 결정할 수 있는 새로운 기술을 개발하였다. 연구진은 새로운 기술을 통해 극도로 조직화된 구조를 가진 물질이 그렇지 못한 구조를 가진 물질보다 자유전자(Free Electron)를 만들어내는데 더 효율적이지는 않다는 것을 확인하였다. 이번 결과는 미래 유기태양전지 개발과 관련하여 일종의 지침서 역할을 할 것으로 기대된다. 이 대학 기계공학과 교수이자 이번 연구 논문의 저자인 Brendan O`Connor 교수는 "유기태양전지의 효율과 관련한 많은 연구가 수행되었지만 에너지 변환 공정은 다양한 단계를 포함하기 때문에 각 단계의 효율을 독립적으로 보기는 어려운 일이다. 이번 논문에서 다루고 있는 기술을 활용하면 이들 변수를 해석할 수 있다. 특히 엑시톤 해리 효율(Exciton Dissociation Efficiency)과 관련한 단계에 초점을 두고 있다"고 설명하였다. 일반적으로 말하면 유기태양전지는 4단계로 태양광을 전류로 변환한다. 첫 번째, 셀이 태양광을 흡수하게 되면 셀의 활성층(Active Layer)에 있는 전자는 여기(Excite)된다. 그리고 각각의 여기된 전자는 활성층에 있는 정공(Hole)으로 빠져나간다. 여기서 전자와 정공을 총괄하여 엑시톤이라고 부른다. 그런 다음 확산이라고 불리는 두 번째 단계에서 엑시톤은 활성층에 있는 다른 유기물질의 계면을 만날 때까지 주위를 돌아다닌다. 엑시톤이 계면과 접촉하게 되면 해리라고 하는 세 번째 단계에 접어든다. 해리 과정에서 엑시톤은 전자와 정공으로 분리된다. 그리고 전하수집(Charge Collection)이라고 불리는 네 번째 단계에서 전자는 활성층을 통해 이들이 수확되는 장소까지 이동하게 된다. 과거 유기태양전지 연구에서는 해리나 전하수집 단계로 인해 효율의 차이가 있는가에 대한 모호하였다. 이와 같은 현상은 이 두 단계를 구별할 수 있는 명확한 방법이 없었기 때문이다. 따라서 “엑시톤을 전자로 해리하는 단계에서 소재가 비효율적인가? 그렇지 않으면 소재가 단지 자유전자가 활성층을 빠져나가기 어렵게 만드는 것인가?”라는 문제가 제기되었다. 이러한 문제를 다루기 위해 연구진은 빛의 특성을 이용하는 방안을 개발하였다. 빛을 편광화하여 유기태양전지 분자의 장축으로 평행하게 진행시킨다면 이들은 흡수되지만 빛이 분자에 대해 수직 방향이 되면 그대로 통과하게 된다. 연구진은 유기태양전지 활성층 일부에 매우 조직화된 나노구조를 만들었다. 이는 이 부분의 분자들이 같은 방향을 향하고 있다는 것을 의미한다. 그리고 셀의 남은 부분은 비조직화된 구조로 남겨두어 분자들이 각각 다른 방향으로 향하게 하였다. 연구진은 이러한 설계를 통해 활성층에 대해 편광을 조절함으로써 셀의 조직화된 부분을 효과적으로 안보이게 할 수 있다. 다시 말해 같은 태양전지의 같은 활성층에 있더라도 조직화된 부분과 비조직화된 부분에 대해 테스트를 실시할 수 있다는 것이다. 전하수집은 모든 지역에서 동일하기 때문에 이 기술을 활용한다면 구조 조직이 소재의 해리 효율에 주는 영향력을 측정할 수 있게 된다. O`Connor 교수는 "연구진은 실험을 통해 해리 효율과 구조조직과 관계가 없다는 것을 확인하였다. 이는 매우 놀라운 사실이며, 효율적인 자유전자를 발생시키기 위해 고도로 조직화된 나노구조는 필요없다는 것을 의미한다. 실용적인 측면에서 이 기술은 새롭게 개발된 재료의 효율 손실을 확인하는데 도움을 주어 어떤 물질과 나노구조가 유기태양전지 기술에 좋은 영향을 주는지를 결정할 수 있다"고 밝혔다. http://www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150123110752.htm