나노기술 및 정책 정보

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히로시마(広島)대학, 야마가타(山形)대학, 교토(京都)대학 등의 공동 연구그룹이 반도체 폴리머와 풀러렌 유도체를 이용한 도포형 ‘유기 박막 태양전지(organic photo voltaics, OPV)’에 소량의 장파장 흡수 재료를 추가하는 것만으로 발전 효율이 크게 향상하는 것을 발견함. OPV는 반도체 고분자 플라스틱 기판에 도포하여 제작하기 때문에 비용과 환경 부하를 줄일 수 있으며, 대면적화가 용이함. 또한 가볍고 유연하며 투명하여 실내조명 하에서 변환 효율이 높기 때문에 IoT 센서, 모바일·웨어러블 전원, 창문, 비닐하우스용 전원 등 현재 보급되어 있는 무기 태양전지로는 실현이 어려운 새로운 응용을 개척할 차세대 태양전지로 주목받고 있음. OPV의 실용화에는 발전 효율 향상이 가장 중요한 해결 과제이며, 이를 위해서는 OPV가 가능한 많은 태양광을 흡수하도록 하는 것이 필수적임. 연구진은 히로시마대학 연구그룹이 이전에 개발한 결정성이 높은 반도체 고분자와 풀러렌 유도체의 혼합 막에, 장파장 흡수 대역을 갖는 화합물을 중량비에서 6%정도 소량 첨가하자 OPV의 발전 효율이 1.5배 향상하는 것을 발견함. 야마가타대학 연구그룹이 ‘분광 타원 계측(spectroscopic ellipsometry)’결과를 바탕으로 OPV의 광학 시뮬레이션을 실시한 결과, 빛 간섭 효과에 의해 소량 첨가한 화합물의 광 흡수 강도가 크게 증폭된 것을 알 수 있었음. 또한 교토대학 연구그룹이 ‘과도 흡수 분광법(transient absorption spectroscopy)’을 이용하여 전하 생성 메커니즘을 분석한 결과, 소량 첨가한 화합물이 반도체 고분자와 풀러렌 유도체의 계면에 편재하고 있으며, 이를 통해 효과적으로 전하가 생성하는 것이 밝혀짐. 공동 연구진은 이 같은 광 증감 작용과 치밀하게 제어된 재료의 미시적인 집합 구조가 이번 OPV의 발전 효율 향상의 핵심인 것으로 보고 있음. 본 연구 성과를 통해 향후 반도체 층에 이용되는 재료가 개량됨으로써 발전 효율이 더욱 비약적으로 향상될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Macromolecules’ (“Significantly Sensitized Ternary Blend Polymer Solar Cells with Very Small Content of Narrow-Bandgap Third Component That Utilizes Optical Interference”) 지에 게재됨.