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신기한 전자받게 재료인 그라핀 기반의 유기 태양전지

전문가 제언: ○ 유기고분자 태양전지는 염료감응 태양전지(DSSC)의 휘발성 전해질 문제를 해결하고, 재료비 절감과 유기고분자의 장점인 매력적인 생산성 향상을 기대하여 연구가 활발하다. 휴대전화기의 보조전원 등 낮은 전력 응용이 개발되고 있다. 유기고분자 태양전지의 에너지 변환효율은 단층 활성층 구조로 약 5%대가 현재까지의 최고 기록이다.

○ 이 변환효율은 아직 만족스럽지 못하고 DSSC의 약 절반밖에 안되지만 여기까지 발전한 데에는 많은 단계별 기술도약이 있었다. 활성층의 평면형 이종접합 시 유기고분자의 극히 짧은 여기자 확산길이 문제가 있었다. 이의 해결을 위해 1995년 활성층의 전자주게와 전자받게 간 블렌드의 나노크기 벌크 이종접합 구조의 등장이 획기적이었다. 약 1%의 변환효율을 일거에 2.5%까지 올린 것은 공액고분자인 poly(p-phenylene vinylene)(PPV)계 MDMO-PPV와 PCBM과의 블렌드 회전코팅 용매를 톨루엔에서 염화벤젠으로 바꾼 기술이었다. PCBM 도메인이 미세화되었다.

○ 최근 새로운 위치규칙성 전자주게 P3HT의 측쇄 치환위치 제어기술에 의한 결정화 기술과 내구성 향상 그리고 불활성 분위기 하에서의 열처리 기술은 5%대의 변환효율로의 향상을 가능하게 하였다. 최근 A.J. Heeger 교수와 한국 이광희 교수에 의한 2층 셀의 탠덤화 기술은 세계 최초로 유기고분자의 6.5% 변환효율을 보게 하였다. 지금까지의 유기고분자 기술의 성공은 전자받게 재료로 단 하나의 PCBM이란 가용성을 가진 풀러렌 유도체 덕분이었다. 이 고가의 재료를 대체하기 위해 탄소나노튜브나 풀러렌 사용이 많이 연구되었으나 성공이 안 되고 있다.

○ 본문에서 중국 Nankai University는 최근 과학재료로 혜성과 같이 떠오르는 2차원의 고전도성 그라핀을 유기고분자 태양전지 활성층의 전자받게 재료로 사용한 내용을 보고하고 있다. 그라핀의 용액 가공을 위해 기능화된 그라핀을 만들어 P3OT와의 사용으로 최고 변환효율 1.4%를 달성한 기술은 새로운 시대를 열기 시작하였다. 변환효율은 아직 낮은 수준에 있지만 최적화의 여유는 충분하다. 최근 MaxPlanck 연구소의 Muellen 등에 의해 실용성이 열린 그라핀의 상업 생산이 가능해져 유기고분자 태양전지의 획기적 발전이 기대된다.

저자: Zunfeng Liu et al
자료유형: 학술정보