이중블록공중합체를 유기태양전지의 활성층에 도입하여 효율과 열안정성을 향상시킨 연구 결과가 Royal Society of Chemistry에서 발간하는 J. Mater. Chem. A (IF = 8.363)에 게재 승인되었습니다.
본 연구는 중국 Fudan University의 Prof. Juan Peng 교수진과의 공동연구로 수행되었으며 김희준 연구원이 공동 1저자로 참여하였습니다.
Organic Solar Cells
유기태양전지 내부에 귀금속 나노구조체를 도입하고 플라즈몬 에너지 전이 (plasmon resonance energy transfer) 및 근접 장 강화
(near-field enhancement)를 바탕으로 광전변환 효율을 상승시키는 연구를 비롯하여 유연소자 구현을 목표로 구리, 은, 그래핀 소재를 접목한
나노와이어 투명 전극 개발 등을 수행하고 있습니다.
이중블록공중합체의 유기태양전지 도입에 따른 효율 및 열안전성 향상 연구
레이저 간섭 리소그래피로 제작된 은 나노닷을 도입한 유기태양전지의 효율 향상 및 메커니즘 규명
본 연구는 레이저 간섭 리소그래피라는 광학적 공정 기술을 통해 고효율의 플라즈모닉 유기태양전지를 제작하는데 성공하였습니다.
레이저 간섭 리소그래피 기술을 이용하여 제작된 은 나노 닷의 구조체는 그 크기와 주기가 수십 나노 단위로 매우 정교하게 제작되었으며, 광흡수체의 흡수 스펙트럼 파장과 은 나노닷의 공명 플라즈몬 파장이 중첩되도록 고안되어 제작될 수 있었습니다.
그리하여 최종적으로 제작 된 규칙적인 은 나노 구조체를 유기태양전지에 도입하였으며, 10% 이상의 광전 변환효율에 성공하였고, 대조군 대비 34%의 효율 증가폭을 달성하였습니다.
이는, 은 나노 닷의 내부에서 자유전자가 집단으로 진동하여 큰 전기장을 발생하는 플라즈모닉 현상을 활용하여 빛을 증폭시켜, 빛을 에너지로 바꾸는 광전 변환효율을 높일 수 있었습니다.
그리고 이의 메커니즘을 (1) LSPR 현상, (2) 광산란에 의한 포획현상, (3) 증폭된 전류 전달 경로 역할이라는 세가지 현상으로 각각 규명하였습니다.
본 연구는 빛을 흡수하는 흡수층이 얇아 효율이 낮았던 유기 태양전지의 상용화에 도움이 될 것으로 기대되었습니다.
캡슐화를 통해 우수한 장기적 안정성을 가지는 유기태양전지 개발
본 연구에서는 유기소자에서 해결해야할 주요 문제인 장기적 안정성을 해결하기 위해 캡슐화(Encapsulation)된 소자를 보고하였습니다.
캡슐화는 산소나 습기로부터 유기 물질을 보호하여 공기 안정성을 향상시키는 수단입니다. 이번 연구에서는 고성능 유연 무기 SiNx/SiOxNy 하이브리드 필름을 적용한 유기 태양전지를 제작하였습니다.
이 하이브리드 필름은 평균 85.5%의 투과율과 7.1x10-5g/m2day의 수증기 투과율을 가지는 것을 확인하였습니다.
이러한 필름으로 캡슐화된 유기 태양전지는 2000시간 후에도 86%의 전력 변환 효율을 가지는 것으로 보고되었습니다.
해당 기술은 소자의 장기적 안정성을 향상시켜 소자 효율을 극대화시키는 데 활용될 수 있으리라 예상됩니다.
표면 플라즈몬 공명 및 형광 공명 에너지 전달을 통해 우수한 효율을 가지는 유기태양전지 개발
본 연구에서는 유기태양전지 광활성층의 재결합에 의한 발광으로 인한 효율 감소 요인을 획기적으로 억제시키는 기법을 제시하였습니다.
구체적으로 표면 플라즈몬 공명 현상을 활용하여 광활성층 내 전하 생성을 증가시키는 동시에, 형광 공명 에너지 전달 (Förster 또는 fluorescence resonance energy transfer, FRET) 효과를 도입함으로써 재결합에서 기인한 발광 에너지를 재활용함으로써 추가적인 전하 생성까지 유도하였습니다.
광활성층 내 전하 생성량의 증가 및 전하 생성의 증가가 태양전지 효율 향상에 미치는 영향을 시분해 흡광 기법 (transient absorption spectroscopy) 및 전류-전압 곡선 분석을 통해 증명하였으며, 해당 연구에서 제시된 다성분계 태양전지 소자는 기존 소자 대비 ~36%에 달하는 효율의 향상을 달성하였습니다.
해당 기술은 추후, 귀금속 나노입자의 형태, 조성과 같은 간단한 변형이나 FRET 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 조합의 유기 고분자 도입 등을 통해 단접합 태양전지 소자 효율의 극대화를 모색하는 데 활용될 수 있으리라 예상됩니다.