플라스틱 태양전지의 효율 향상

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-12

플라스틱 태양전지의 효율은 제조 프로세스 동안에 용매를 추가되면 두 배 또는 세 배까지 향상될 수 있다. 이것은 반죽 속의 베이킹파우더(baking powder)의 역할과 유사하다. 지난 10년 동안에 이것이 어떻게 작동하는지를 정확하게 알지 못했다. 그러나 현재 TU/e의 연구진은 저널 Nature Communications에 이것에 대한 해답을 제시했다. 플라스틱 유기 태양전지는 유기 태양전지의 일종이고, 태양광을 전기로 전환시키기 위해서 실리콘을 사용하는 것이 아니라 폴리머를 사용한다. 기본 물질로 플라스틱을 이용하기 때문에 이런 태양전지의 비용 및 무게를 절감하고, 그들을 유연하게 만든다. 그러나 약 10%의 효율은 상용 실리콘 태양전지의 것보다 낮다. 상용 실리콘 태양전지는 약 15~20%의 효율을 가지고 있다. 플라스틱 태양전지의 효율은 제조 프로세스 동안 추가적인 용매(공-용매)를 추가함으로써 2~3배까지 증가되었다는 것을 약 10 년 전에 알게 되었다. “이런 공-용매는 모든 플라스틱 태양전지에서 사용되고 있다”고 TU/e의 교수인 René Janssen은 말했다. “그러나 아무도 이런 효율 향상이 왜 일어나는지를 정확하게 알지 못했다”고  Janssen은 덧붙였다.  이것은 태양전지의 형상과 연관되었다. 다시 말하면, 태양전지 속의 두 개의 혼합된 플라스틱 구성요소의 구조에 따라서 달라진다. 태양전지 속의 전자들은 태양광의 영향으로 움직이게 된다. 이런 구소요소(유기 물질들)는 제조 프로세스 동안에 용해되고, 그 후에 증발되어서 경화된다. 이런 공-용매는 증발 전에 용액으로 첨가된다. 이번 연구진은 이런 현상을 발견하기 위해서 광학적 기술들을 이용했다. 이번 연구진은 공-용매를 추가하지 않았다면 큰 물방울이 플라스틱 혼합물의 경화 동안에 형성된다는 것을 발견했다. 이것은 전자 전달에 부정적인 효과를 가지게 하고, 이로 인해서 태양전지의 효율을 감소시킨다. “더 많은 공-용매를 사용하면, 더 작은 거품들이 발생한다”고 Janssen은 말했다.   이번 연구진은 이것에 대한 이유를 발견했다. “경화 프로세스 동안에 두 가지 효과들이 발생한다”고 Janssen이 말했다. “용액은 증발하고, 폴리머는 접힌 구조를 가진다. 공-용매를 추가하면 훨씬 더 초기 단계에 접힘(folding) 프로세스가 시작한다는 것을 발견했다. 이것은 거품들이 궁극적으로 전혀 형성되지 않는다는 것을 의미한다.” 이런 방식으로 공-용매는 “베이킹파우더”의 일종으로 작용한다.: 이것은 혼합물의 구조를 향상시키지만 작용제로서의 충분한 역할을 하지 않는다.   이번 연구진은 이 연구결과가 플라스틱 태양전지의 효율을 더 향상시키는데 유용하게 적용될 수 있기를 기대하고 있다. “지금까지, 이것은 시행착오를 겪고 있다”고 Janssen이 말했다. “그러나 현재 우리는 어떤 작용이 발생하고 어떤 것이 발생하지 않는지를 훨씬 더 정확하게 예측할 수 있다.” 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “A real-time study of the benefits of co-solvents in polymer solar cell processing”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms7229).   그림. 플라스틱 태양전지의 제조 프로세스 동안에 두 개의 플라스틱 구성요소(폴리머와 플러렌 분자)의 공-용매 효과를 보여주는 이미지. 플러렌 분자의 공-용매가 없다면 태양 전지의 효율이 감소된다. 공-용매를 가진 경우에, 폴리머 분자들은 훨씬 더 빠르게 접히고, 물방울이 형성되지 않는다. noname015.bmp