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D-A 공액 폴리머(Conjugated polymer)의 접수체 유닛 상에 불소 치환기(Fluorine substituents)를 도입하면 폴리머 흡수 광 스펙트럼과 이전 비율에 영향을 끼치지 않는 전제 조건 하에서 폴리머의 HOMO 에너지 레벨을 효과적으로 낮춰 장치의 오픈 회로 전압과 태양광발전 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 공액 폴리머 태양광발전 재료에 대한 연구는 최근 태양광발전 재료 연구 분야의 이슈가 되고 있다.
하지만 접수체 유닛에 불소 치환기를 도입할 때 선택성 제한을 받고 있는데 이런 방법은 부분적인 폴리머 태양광 재료 시스템에만 응용이 가능하다. 때문에 "어떻게 하면 폴리머 태양광 재료 시스템 속에서 이런 방법의 응용을 확대할 것인가"라는 연구는 매우 중요한 과학적 의미를 보유하고 있다.
중국과학원 화학 연구소 산하 `폴리머 물리 및 화학 국가 중점 실험실` 연구팀은 중국과학원, 국가과학기술부, 국가자연과학기금위원회와 중국과학원 화학 연구소의 관련 과학연구 비용 지원을 받아 D-A 공액 폴리머 제공체 유닛 공액 사이드 체인 상에 불소 치환기를 도입하는 디자인 아이디어를 제시하여 폴리머 제공체 유닛 공액 사이드 체인에 불소 치환기를 도입하여 합성하는 혁신적인 방법을 발명하였다.
연구팀은 이번에 발명한 혁신적인 `폴리머 제공체 유닛 공액 사이드 체인에 불소 치환기를 도입하는 합성 방법`을 중국 `국가 발명 특허`로 신청하였으며(발명 특허 신청 번호 : 201310302374.4), 관련 연구를 통해 다양한 폴리머 태양광발전 재료를 디자인하고 합성하는데 성공하였다(Adv. Mater., 2014, 26, 1118-1123).
연구팀은 이번 연구를 통해 다음과 같은 네 가지 연구 결론을 도출한 상황이다.
첫째, 불소 치환기를 도입한 후 폴리머의 흡수 광 스펙트럼과 이전 비율은 거의 변하지 않은 것으로 나타났으며, 폴리머의 HOMO 에너지 레벨이 뚜렷이 낮아지는 것으로 나타났다.
둘째, 접수체 유닛 상에 도입한 불소 치환기에 비해 공급체 유닛의 공액 사이드 체인 상에 도입한 불소 치환기는 더욱 효과적으로 폴리머의 HOMO 에너지 레벨을 낮추는 것으로 나타났다.
셋째, 공급체와 접수체 유닛 상에서의 불소 치환기의 협동 역할 하에서 폴리머의 HOMO 에너지 레벨은 0.30eV 낮아지는 것으로 나타났다.
넷째, 관련된 태양광발전 장치의 오픈 회로 전압은 0.22V 향상되고, 에너지 전환 효율은 4.5% 수준에서 8.6% 수준으로 향상되는 것으로 나타났다.
연구팀은 이번 연구를 통해 불소 치환기가 폴리머 분자 에너지 레벨의 국한성을 돌파하는 면에서 최초로 공급체 유닛 상에 강한 흡수 전자 그룹을 도입하여 폴리머 분자 에너지 레벨을 조절하는 디자인 개념을 실현함으로써 폴리머 태양광발전 재료의 분자 디자인을 위해 새로운 아이디어와 방법을 제공하였다.
연구팀의 이번 연구 개발 성과는 신형 효율적인 폴리머 태양광발전 재료 개발과 응용을 대폭 추진하는 면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다.
출처 : www.gnet.go.kr
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