고분자 태양전지 효율 향상 한계요소 규명
작성자 관리자 작성일 2016-12-30
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최근수정일 2017-03-15, IP 115.95*******

 

 

 


□ 광주과학기술원(GIST, 총장 선우중호) 고등광기술연구소(APRI) 이창렬 박사(나노광학연구실 선임연구원)는 영국 캠브리지대학 닐 그린함(Neil Greenham) 교수팀과의 국제공동연구를 통해 인광염료가 도핑된 고분자 태양전지에서의 삼중항 여기자 및 폴라론 동역학에 관한 연구 결과를 발표하였다.


    ○ 이창렬 박사가 행한 이번 연구의 결과는 세계적인 재료공학분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 (Advanced Functional Materials, IF : 6.990)"誌에 지난 9일 게재되었다.


□ 고분자 태양전지는 전기생산비용이 1와트(watt)당 약 0.1 미국달러로 실리콘 태양전지에 비해 약 1/20의 가격으로 가격경쟁력이 뛰어나다. 뿐만 아니라 언제 어디서든 스스로 전기를 만들어 모바일 기기의 전원으로 사용될 수 있어 진정한 유비쿼터스 구현을 가능하게 할 수 있는 차세대 태양전지로 주목받고 있지만, 낮은 효율로 인해 상업화에 어려움을 겪고 있다.


  - 고분자 태양전지는 실리콘보다 저렴한 가격의 유기 소재를 사용한다는 점과 진공방식(Vacuum technology)이 아닌 프린팅 공정을 통한 롤투롤 (Roll-to-Roll: 얇은 금속 막 또는 유연한 플라스틱 기판에 전자소자를 연속적으로 제작하는 공정)방식을 통해 생산됨으로서 가격경쟁력이 우수하고 대면적 및 휘어질 수 있는 유연한 기판에 적용이 가능한 장점을 가지고 있다.


  - 이와 같은 장점으로 인해, 휴대용 전자기기, 의복, 자동차, 스마트 윈도우등 다양한 분야에 활용될 수 있어 이동성과 착용성을 갖춘 진정한 유비쿼터스 태양전지 기술이지만 실리콘 태양전지에 비해 상대적으로 낮은 효율은 상업화를 위해 시급히 해결되어야 할 문제이다. (현재 고분자 태양전지는 실험실 규모의 소형 크기의 소자에서 약 8% 효율이 달성되었으며, 실리콘 태양전지 약 15%~20% 효율을 달성하였다.)


□ 이러한 가운데, ‘삼중항 여기자 (triplet excitons)를 이용한 고분자 태양전지’는 고효율의 고분자 태양전지를고분자 태양전지 효율 향상 한계요소 규명 구현할 수 있는 가능성이 매우 높은 새로운 개념의 방법론으로 최근 세계적으로 연구가 진행되고 있다.


  - 고분자가 태양광을 흡수하여 들뜬상태가 되면 플러스(+) 전자와 마이너스(-) 전자가 결합된 상태인 여기자가 생성되게 된다. 여기자는 그 특성에 따라 일중항 여기자와 삼중항 여기자로 구분된다.


  - 생성된 여기자가 광활성층(photo-active layer)내에서 이동하면서 플러렌 또는 플러렌 유도체 (C60 또는 PCBM)와 만나 플러스(+) 전자와 마이너스(-) 전자로 해리되면서 에너지가 발생되며, 이러한 만남이 얼마나 효율적으로 이루어지느냐에 따라 태양전지의 효율이 결정된다.


  - 일중항 여기자와 달리 삼중항 여기자는 여기자 수명이 10-6~10-3초로 길어 확산거리가 증대되어 고효율의 태양전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. 이러한 삼중항 여기자는 고분자에서 매우 적은 양으로 생성되기 때문에 (10% 미만) 삼중항 여기자의 밀도를 증가시키기 위해 인광염료를 공액 고분자에 도핑하는 방법이 주로 사용된다.


□ 이 박사는 이번 연구에서, 인광염료가 도핑된 두 가지 구조의 태양전지를 분광학적으로 비교분석하여, 단순히 삼중항 여기자 생성원인 인광염료를 고분자에 혼합하는 것만으로 고분자 태양전지의 효율향상이 보장되는 것은 아니라는 사실을 최초로 실험적으로 검증하였다