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실리콘 태양 전지(Silicon solar cells)에 비해 유기 태양전지(Organic solar cell)는 가볍고 휘어질 수 있으며 roll-to-roll 대면적으로 제조할 수 있는 강점을 보유하고 있다. 최근 유기 태양전지 기술의 급속한 발전에 따라 에너지 전환 효율은 12%를 넘었으며 국제적으로 여러 회사들이 유기 태양전지 상용화를 추진하고 있는 상황이다. D-A 타입의 좁은 밴드 갭(Narrow bandgap) 고분자 공여체 재료(donor material)는 양호한 광 흡수 능력과 비교적 높은 전환 효율을 보유하고 있기 때문에 유기 태양전지 분야에 폭넓게 응용되고 있는 상황이다.
대형 평면 공액 구조를 보유하고 있는 융합 고리 공여체(Fused ring donor) 유닛은 공액 시스템을 효과적으로 확대시킬 수 있기 때문에 П 전자 비편재화(Delocalized)에 유리할 뿐만 아니라 에너지 갭을 효과적으로 줄이고 합성한 폴리머는 양호한 분자 축적(Accumulation)을 형성할 수 있으며 캐리어 이동 비율과 에너지 변환 효율은 모두 높다. 과학자들은 현재 이미 다양한 융합 고리 공여체 유닛을 개발하였지만 융합 고리 수용체 유닛에 대한 연구성과 관련 보도는 매우 적은 상황이다.
중국 `국가 나노과학 센터`의 딩리밍(丁黎明) 연구원의 연구팀은 관련 연구를 통해 일종 신형 융합 고리 락탐(Lactam) 수용체 유닛인 TPTI를 디자인하고 합성하였는데, 동 TPTI는 한 개의 벤젠(Benzene)과 두 개의 피리돈(Pyridone), 두 개의 티오펜 링(Thiophene ring)을 포함하고 있으며 중심의 대칭성을 보유하고 있는 것으로 나타났다.
TPTI와 전자 유닛에 티오 펜(Thiophene)을 제공하여 합성한 고분자인 PThTPTI는 비교적 이상적인 광 흡수 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났으며 열 안정성이 이상적이고 비교적 낮은 HOMO 에너지 레벨에 도달한 것으로 나타났다. PThTPTI에 기반한 `트랜스 폴리머 태양전지(Trans polymer solar cells)`(ITO/ZnO/PThTPTI:PC71BM/MoO3/Ag)의 오픈 회로 전압은 0.87V에 달하고, 단락 전류(Short-circuit current)는 13.69mA/㎠수준에 달하는 동시에 필팩터(Fill Factor)는 65.6% 수준에 달하고, 에너지 전환 효율은 7.8% 수준에 달하며, 전지 EQE는 435~640nm 범위에서 70%를 초월하는 것으로 나타났다.
연구팀이 개발한 고분자 재료는 국제 공여체 재료 분야 선진 수준에 도달한 것으로 나타났다.
연구팀의 관련 연구 성과는 Energy & Environmental Science 학술지에 발표되었다. 이번 연구는 중국과학원의 `백인계획(百人計劃)` 프로그램 비용, 국가자연과학기금위원회의 `기초과학 연구 프로젝트` 비용 및 `수저우(蘇州) 자훙(佳宏) 광전자유한회사`의 연구개발 비용 지원을 받아 추진되었다.
출처 : www.gnet.go.k
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