나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 산하 "국가 나노 과학 센터" 저우얼쥔(周二軍, 주이군) 연구원 연구팀은 베이징(北京, 북경) 항공(航空) 항천(航天) 대학교 쑨옌밍(孫艶明, 손염명) 교수, 둥화(東華, 동화) 대학교 마자이폐이(馬在飛, 마재비) 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 유기태양전지의 비(非)방사 복합 손실을 감소시키는 연구에서 혁신성과를 취득하였음.

최근 10년 간 용액 가공을 통해 제조하는 본체 이종접합 유기태양전지(OSCs)는 빠르게 발전하였는데 에너지 전환 효율(PCE)은 18% 이상이지만 실리콘 베이스 및 페로브스카이트 태양전지에 비해서는 여전히 뒤져 있으며, OSCs 효율을 결정하는 3개 매개 변수인 단락 전류(JSC), 오픈 회로 전압(VOC)과 충전 인자(FF) 중 JSC와 FF는 현재 이미 상당한 진전을 이루었음.

페로브스카이트 태양전지에 비해 VOC는 여전히 낮은데 그 원인은 비교적 큰 에너지 손실(일반적으로 0.6eV 수준보다 높은 상황임)에 있으며, 그 중, 비(非)방사 전압 손실은 OSC 성능으로 하여금 기타 유형의 태양전지에 비해 취약해지게끔 하는 주요 원인이 됨(일반적으로 0.2V 수준보다 높은 상황임). 그 외, 수용체 인터페이스에 형성되는 전하 전이상태(CT 상태)는 높은 비(非)방사 복합 손실의 주요 원인임.

연구팀은 이전 연구를 통해 소재 개발, 특히 벤조트리아졸(BTA) 유형 소분자 소재 개발로 높은 VOC 태양광발전 소재 조합을 얻었으며, 분자 디자인 차원에서 비(非)방사 복합 손실을 감소시키고 초고(超高) VOC 유기 태양전지를 개발하기 위해 소재 화학 구조와 에너지 손실 간의 관계를 분석할 필요가 있다는 연구 결론을 도출하였음.

연구팀은 염소 대체와 염소 함유가 없는 2개 조(組)의 D-π-A형 폴리머 공급체(PBT1-C/PBDB-T와 PBT1-C-2Cl/PBDB-T-2Cl)와 독자적으로 개발한 수용체 BTA3을 이용하여 유기태양전지를 개발하였으며, 다른 위치 염소 대체가 ΔVnon-rad에 끼치는 영향에 대한 연구를 실행하고, 모든 시스템은 1.70eV 수준보다 높은 전하 이전 상태 에너지(ECT)를 취득하고 단일 라인 상태(S1)와 CT 상태 사이의 에너지 차이(ΔECT)를 ~0.1 eV 수준으로 낮출 수 있다는 점을 입증하였음.

연구팀은 염소 원자로 티오펜 사이드 체인과 티오펜 π 브리지를 대체하는 전략을 통해 염소 함유 폴리머 시스템(PBT1-C-2Cl과 PBDB-T-2Cl)은 높은 VOC(1.30V)를 실현하고, 높은 전자 발광 외부 양자 효율을 실현하고, 비(非)방사 복합 전압 손실을 0.16V와 0.17V 수준으로 감소시키는데 성공하였는데 이런 결과는 이미 보도된 용액 처리 유기태양전지 분야에서 비교적 낮은 수치에 속하는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 D-π-A형 공액 폴리머가 다른 위치에서 염소에 대한 대체는 디바이스의 ΔVnon-rad를 감소시키는 효과적인 전략이 되고 있다는 점을 입증하였음.

연구팀이 이번 연구를 통해 취득한 혁신성과는 OSCs의 에너지 손실을 감소시키고 디바이스 성능을 향상시키는 면에서 중요한 의미를 가짐.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ ("Solution‐Processed Organic Solar Cells with High Open‐Circuit Voltage of 1.3 V and Low Non‐Radiative Voltage Loss of 0.16 V") 지에 게재됨.