□ 광주과학기술원(GIST, 총장 선우중호) 고등광기술연구소(APRI) 이창렬 박사(나노광학연구실 선임연구원)는 영국 캠브리지대학 닐 그린함(Neil Greenham) 교수팀과의 국제공동연구를 통해 인광염료가 도핑된 고분자 태양전지에서의 삼중항 여기자 및 폴라론 동역학에 관한 연구 결과를 발표하였다.

○ 이창렬 박사가 행한 이번 연구의 결과는 세계적인 재료공학분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 (Advanced Functional Materials, IF : 6.990)"誌에 지난 9일 게재되었다.

□ 고분자 태양전지는 전기생산비용이 1와트(watt)당 약 0.1 미국달러로 실리콘 태양전지에 비해 약 1/20의 가격으로 가격경쟁력이 뛰어나다. 뿐만 아니라 언제 어디서든 스스로 전기를 만들어 모바일 기기의 전원으로 사용될 수 있어 진정한 유비쿼터스 구현을 가능하게 할 수 있는 차세대 태양전지로 주목받고 있지만, 낮은 효율로 인해 상업화에 어려움을 겪고 있다.

- 고분자 태양전지는 실리콘보다 저렴한 가격의 유기 소재를 사용한다는 점과 진공방식(Vacuum technology)이 아닌 프린팅 공정을 통한 롤투롤 (Roll-to-Roll: 얇은 금속 막 또는 유연한 플라스틱 기판에 전자소자를 연속적으로 제작하는 공정)방식을 통해 생산됨으로서 가격경쟁력이 우수하고 대면적 및 휘어질 수 있는 유연한 기판에 적용이 가능한 장점을 가지고 있다.

- 이와 같은 장점으로 인해, 휴대용 전자기기, 의복, 자동차, 스마트 윈도우등 다양한 분야에 활용될 수 있어 이동성과 착용성을 갖춘 진정한 유비쿼터스 태양전지 기술이지만 실리콘 태양전지에 비해 상대적으로 낮은 효율은 상업화를 위해 시급히 해결되어야 할 문제이다. (현재 고분자 태양전지는 실험실 규모의 소형 크기의 소자에서 약 8% 효율이 달성되었으며, 실리콘 태양전지 약 15%~20% 효율을 달성하였다.)

□ 이러한 가운데, ‘삼중항 여기자 (triplet excitons)를 이용한 고분자 태양전지’는 고효율의 고분자 태양전지를 구현할 수 있는 가능성이 매우 높은 새로운 개념의 방법론으로 최근 세계적으로 연구가 진행되고 있다.

- 고분자가 태양광을 흡수하여 들뜬상태가 되면 플러스(+) 전자와 마이너스(-) 전자가 결합된 상태인 여기자가 생성되게 된다. 여기자는 그 특성에 따라 일중항 여기자와 삼중항 여기자로 구분된다.

- 생성된 여기자가 광활성층(photo-active layer)내에서 이동하면서 플러렌 또는 플러렌 유도체 (C60 또는 PCBM)와 만나 플러스(+) 전자와 마이너스(-) 전자로 해리되면서 에너지가 발생되며, 이러한 만남이 얼마나 효율적으로 이루어지느냐에 따라 태양전지의 효율이 결정된다.

- 일중항 여기자와 달리 삼중항 여기자는 여기자 수명이 10-6~10-3초로 길어 확산거리가 증대되어 고효율의 태양전지를 구현할 수 있는 장점이 있다. 이러한 삼중항 여기자는 고분자에서 매우 적은 양으로 생성되기 때문에 (10% 미만) 삼중항 여기자의 밀도를 증가시키기 위해 인광염료를 공액 고분자에 도핑하는 방법이 주로 사용된다.

□ 이 박사는 이번 연구에서, 인광염료가 도핑된 두 가지 구조의 태양전지를 분광학적으로 비교분석하여, 단순히 삼중항 여기자 생성원인 인광염료를 고분자에 혼합하는 것만으로 고분자 태양전지의 효율향상이 보장되는 것은 아니라는 사실을 최초로 실험적으로 검증하였다.

- 본 연구에서는 ‘이중층(bilayer)방식의 고분자 태양전지’와 ‘이종 접합구조(bulk heterojunction)의 고분자 태양전지’에서 삼중항 여기자의 밀도변화와, 플러스(+) 전자와 마이너스(-) 전자 (폴라론, polaron)의 밀도변화를 광여기흡수분광법 (photo-induced absorption spectroscopy)을 통해 비교분석하였다.

- 이중층(bilayer) 고분자 태양전지의 경우, 고분자에 인광염료를 도핑하면 기존에 보고된 것과 같이 태양전지의 에너지 변환효율이 약 30~40% 증가됨을 확인하였다. 그러나 이종접합구조(bulk heterojunction)의 고분자 태양전지의 경우, 인광염료와 고분자간의 삼중항 에너지 전이가 일어나기 전에 인광염료의 삼중항 여기자가 플러렌 유도체 (PCBM)에 의해 쉽게 해리됨으로, 효율 향상이 10% 미만으로 이중층 고분자 태양전지의 경우에 비해 매우 낮았다.

- 현재까지 진행된 대부분의 연구는, 이종접합구조(bulk heterojunction) 의 고분자 태양전지에서 인광염료 도핑에 의한 폴라론의 밀도변화와 같은 분광학적 연구 없이 단순히 인광염료를 도핑할 경우 태양전지의 효율이 증가한다는 것을 보고하는데 그치고 있다.

□ 이번 연구의 의의는 인광염료가 혼합된 공액고분자 기반의 고분자 태양전지에서 삼중항 여기자의 동역학에 관한 연구를 통해 삼중항 여기자의 생성, 이동, 소멸 등에 관한 원천적인 정보를 찾아냄으로서 삼중항 여기자를 이용한 고분자 태양전지의 한계요소를 찾아냈다는 데 있다.  

□ 이창렬 박사는 “삼중항 여기자를 이용하여 고효율의 고분자 태양전지를 구현하는 것은 현재 전 세계적으로 뜨거운 관심을 받고 있는 새로운 연구 분야로”, “이번 연구결과를 통해, 삼중항 여기자를 이용한 고분자 태양전지의 한계요소를 찾아냄으로서 이를 보완할 수 있는 새로운 소재 및 소자개발에 관한 연구정보를 제공할 수 있게 되었다”고 말했다.

[용어설명]