유기 태양전지 효율성에 관한 물질 구조의 역할을 결정하는 새로운 기술개발

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-29

노스캐롤라이나 주립대학교 연구팀이 저비용의 차세대 태양열 이용 전력의 대안이 될 수 있는 유기 태양전지의 효율성에 영향을 미치는 물질의 구조를 결정하는 새로운 기술개발에 성공했다. 연구진들은 나노 크기에서 매우 조직화한 구조를 가진 물질이 잘 정련되지 못한 조직 구조보다 자유전자 창조에 덜 효율적이라는 걸을 결정하기 위해 이 기술을 사용했는데, 이 연구결과는 미래의 연구개발을 가이드하게 될 것이다. "유기 태양전지 효율성 개선을 위한 많은 연구가 있어 왔지만, 에너지 변환 프로세스는 여러 가지 단계가 관련되어 각 단계의 효율성을 분리하기는 어려운 일이다. 우리가 이번 새 논문연구에서 논의하려는 기술은 이러한 변수를 구별하고 하나의 특수한 단계 즉, 엑시톤 해리 효율성(exciton dissociation efficiency)에 초점을 맞추도록 한다."라고 이 대학교 기계공학과 조교수이자 이번 연구논문의 차석 저자인 브렌단 오코노르(Brendan O`Connor) 박사는 말했다. 넓게 말하면, 유기 태양전지는 빛을 전류로 4단계로 변환시킨다. 먼저, 태양전지는 태양광선을 흡수하여 태양전지 내의 활성 층 내의 전자를 여자시킨다. 각각의 여자된 전자는 활성화 층 내의 구멍을 떠나게 된다. 이 전자와 구멍을 집단적으로 엑시톤(exciton)이라고 부른다. 확산(diffusion)이라고 불리는 두 번째 단계에서, 엑시톤은 활성화 층 내의 다른 유기물질과 인터페이스를 하기 전까지 뛰어다닌다. 엑시톤이 이러한 인터페이스를 만나게 되면, 세 번째 단계로 진행하게 된다. 그것은 해리(dissociation) 단계이다. 해리 프로세스 도중에, 엑시톤은 서로 분리되어 전자와 각각의 구멍을 분리시키게 된다. 4번째 단계에서, 자유전자는 에너지를 하베스팅할 수 있는 활성화 층을 통해 그 길을 진행하게 된다. 이전의 유기 태양전지 연구에서는, 효율성의 차이가 해지 프로세스 때문인지 아니면 전하 수집 때문인지에 대한 불확실성이 있었는데, 그 이유는 둘 사이의 차이를 구별할 방법이 없었기 때문이다. 엑시톤을 자유전자로 해리시키는 과정에서 사용된 물질이 불충분한가? 아니면, 자유전자가 진행 방향을 찾기를 어렵게 하는 물질이 있는 것인가? 이 의문을 해소하기 위해, 연구진들은 빛의 특수한 특성을 이용하는 방법을 개발했다. 즉, 만약 빛이 극성화되어 유기 태양전지 분자의 장축과 평행하게 달릴 수 있다면, 흡수가 가능할 것이다. 그렇지 않고 만약 빛이 분자와 직각으로 달린다면, 그것을 통해 통과하게ㅐ 될 것이다. 연구진들은 유기 태양전지의 활성화 층 영역 내에서 매우 조직화된 나노구조체를 창조했는데, 이것은 그 영역내의 분자가 모두가 같은 방식으로 움직임을 의미한다. 그들은 조직화되지 않은 태양전지의 나머지 영역을 남겨두었는데, 이것은 분자들이 다른 방향으로 움직임을 의미한다. 이 디자인은 연구진들이 활성화 층에서 목표하는 빛의 극성 제어를 통해 태양전지의 조직화된 영역을 효과적으로 보이지 않게 할 수 있도록 한다. 달리 말하면, 연구진들은 그들이 같은 태양전지의 같은 활성화 층에 있다고 할지라도 조직화된 영역 또는 비조직화된 영역만을 시험할 수 있다는 것이다. 전하 수집(charge collection)은 양쪽 구역 모두에서 진행되기 때문에(같은 활성화 층에 잇기 때문에), 이 기술은 연구진들이 구조적인 조직체 어느 영역이 물질의 해지 효율성에 영향을 미치는지의 정도를 측정할 수 있도록 했다. "우리는 해리 효율성(dissociation efficiency)과 구조적 조직 간에는 아무 관련이 없다는 사실을 발견했다. 그것은 매우 놀라운 일이었고, 그것은 우리에게 효율적인 자유전자 생산을 위해서는 매우 정련한 나노구조체가 불필요하다는 사실을 알려준다."라고 오코노르(O`Connor) 박사는 말했다. "실용적인 관점에서, 이 기술은 새롭게 개발된 물질의 효율성 손실을 식별하는데 도움이 되어, 어떤 물질과 나노구조체 특성이 유기 태양전지 기술발전에 필요한 것인지를 규정하는데 도움이 될 것이다." http://www.sciencedaily.com/releases/2015/01/150123110752.htm