나노기술 및 정책 정보

• 목록

차세대 태양 전지 및 센서를 만들려면 빛이 빛에 반응하는 물질과 어떻게 상호 작용하는지 자세히 살펴 봐야함. 미국 에너지 부(DOE)의 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)에서는 유연하고 고효율의 태양 전지 및 최첨단 광학 도구를 통해 이러한 이해를 발전시키고자 연구를 수행함.

유기 물질을 사용하여 빛을 활용하는 새로운 기술을 설계하기 위해 과학자들은 기본적인 분자 기능을 연구하고 있는데, 이러한 유형의 재료는 착색된 발전 창에서 휴대용 충전기에 이르기까지 모든 것을 가능하게 하여 기존의 실리콘 기반 지붕 패널을 훨씬 뛰어 넘는 태양 에너지를 확장할 수 있음.

그러나 이러한 유기 태양광 발전을 위한 빌딩 블록이 고효율, 내구성 및 저비용을 제공할 것인지에 대해서는 아직 많이 밝혀지지 않았음.

이러한 재료는 실리콘과 같은 두껍고 고순도의 결정질 무기물을 제조하는 데 초기 에너지가 덜 필요한 저비용의 훨씬 더 얇은 유기 플라스틱 및 작은 분자에 걸쳐 있음.

유기 태양 전지의 핵심은 전자 공여체와 전자 수용체로 알려진 별도의 영역으로 구성됨. 햇빛의 광자가 이 영역에 닿으면 광자가 음전하를 띤 전자에 에너지를 축적하고, 전자가 여기되어 전자가 있는 곳에 양전하를 띤 정공을 생성함. 이 전자-정공 쌍은 반대 전하로 인해 서로 달라붙어 엑시톤이라고 함. 엑시톤이 도너와 억셉터 사이의 계면을 만나면, 그들은 분리되어 한 전극으로 이동하는 전자와 다른 전극으로 이동하는 정공을 분리하여 전류를 생성할 수 있음.

풀러렌으로 알려진 구형의 속이 빈 탄소 분자는 세포 내에서 큰 수용자를 만들지만 풀러렌은 합성하기 어렵고 금보다 무게가 더 비싼 단점이 있음. 연구진은 저렴한 안료 계열에 기반한 풀러렌의 잠재적 인 대안인 페릴렌디이미드(PDI) 유도체를 연구하고 있음. 최근 연구진은 합성한 6가지 PDI 변형을 조사했고, 목표는 분자 구조의 변화가 PDI의 광 변환 효율에 어떤 영향을 미치는지 확인하는 것이었음.

이 PDI 분자는 이합체라고 불리는 쌍으로 함께 연결되어 공여자 물질과의 전자 통신을 향상시킴. 이 연구는 길이와 강성이 다른 링커를 사용하여 이 이량체 간의 활동을 비교함.

실험적인 측면에서 연구자들은 엑시톤 생성, 진화 및 붕괴의 역학을 실시간으로 측정하기 위해 초고속 방출 및 과도 흡수 분광기를 사용하여 이합체를 조사함. 광자가 물질에 의해 흡수되거나 방출될 때 다양한 빛의 스펙트럼을 기록하여 엑시톤 활동을 민감하게 추적하는 데 도움이 되는 광학 연구를 수행함.

시간 분해 빛 측정은 포괄적인 계산을 통해 검증되었으며, 두 PDI 사이의 링커와 같은 이러한 분자의 에너지 수준의 구조적 의존성을 조사함.

연구진이 설계한 2차원 공유 유기 프레임 워크 또는 2D COF는 발광 다이오드, 화학 센서 및 광전지에 사용할 수 있는 잠재력이 있음. 기하학적 정밀도는 효율적인 에너지 전송에 적합하지만, 이러한 신흥 물질에서 전자가 실제로 어떻게 작용하는지에 대해서는 알려진 바가 거의 없음.

2D COF는 쌓이거나 연결되어 전자 수송 네트워크를 생성할 수 있는 눈송이와 유사하며, 그들이 함께 결합함에 따라 그들의 속성이 바뀌고 연구원들은 그 이유를 알고 싶었고, 연구진은 다시 이러한 결정 구조를 검사했음.

분말은 분광학으로 특성 분석이 어려운 정도로 빛을 산란시켰고, 이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 COF의 콜로이드 솔루션을 만들어 다른 방법으로는 불가능했을 광 물리적 특성 분석을 함.

본 연구 성과는 journal Chemical Science ("Photophysical implications of ring fusion, linker length, and twisting angle in a series of perylenediimide–thienoacene dimers")에 게재됨.