유기태양전지의 특효약

유기태양전지의 특효약

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-10-31

수백 년전 스테인드글라스(stained glass) 제조사는 용해 글래스에 극소 금속비말(飛沫)을 혼합함으로써 밝은 색을 만드는 기술을 만들어 냈다. 미국 국립재생가능에너지연구소(NREL) 과학자들은 유기태양전지의 효율을 향상시키기 위하여 이와 같은 개념을 이용하고 있다. 유기태양전지는 플라스틱으로 만들어졌기 때문에 실리콘 등으로 만들어진 태양전지보다 더욱 간단하고 보다 싼 가격으로 제조될 수 있다. 유기태양전지는 보다 낮은 가격의 재료를 이용하여 제조되는 것으로 그 제조 프로세스는 처리량의 크기에 적당하며, 고온 또는 고진공 조건이 필요하지 않다. 이 가능성을 탐구하기 위해서 Jao van de Lagemaat와 NREL 및 콜로라도대학 연구원들은 폴리머 풀러렌(fullerene)전지로 불리는 유기태양전지를 연구하고 있다. 이 전지의 활성층(active layer)은 플라스틱과 풀러렌 분자의 혼합물로 구성되어 있다. 플러렌 분자는 60개의 탄소원자가 축구볼 모양으로 늘어선 분자이다. 2가지 재료(플라스틱과 플러렌 분자)가 활성층 내부로 상호침투하고, 푸른 빛이 활성층에 흡수되면 여기자(excition)가 생성된다. 여기자가 2가지 재료의 경계부근으로 확산됨에 따라 자유전자와 홀(정공)은 멀어진다. 그리고, 전자는 플러렌을 통하여 뒷면 전극(back contact)으로 이동하고, 홀은 플라스틱을 통하여 수광면(受光面) 전극(front contact)으로 이동함으로써 전류가 발생한다. 그러나, 이러한 형태의 태양전지가 높은 변환효율을 달성하기 위해서는 커다란 장해가 있다. 즉, 활성층은 태양 스팩트럼 중 저에너지 부분인 붉은색과 적외선을 흡수하지 않는다는 것이다. van de Lagemaat와 그의 동료들은 나노미터(10억분의 1미터)의 두께의 은(銀) 층을 태양전지에 추가하여 이 문제를 해결하였다. "우리들은 비연속 은입자로 만들어진 나노크기의 층을 사용하고 있다. 이것으로 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)으로 불리는 현상이 발생하여 전지의 성능이 향상된다. 표면 플라즈몬은 빛에 의해 자극될 때 일제히 은층의 표면 위에서 움직이는 자유전자이다. 플라즈몬은 그 아래에 있는 활성층에 전달된 전자에너지를 매우 강하게 한다. 그 결과, 전류의 발생이 촉진되고, 전지의 변환효율을 향상시키는 것"이라고 vande Lagemaat는 말한다. 연구팀은 유기태양전지 내에 나노크기의 은층을 설치함으로써 긴 파장에서 전류의 출력을 증가시키는 것을 실증하였다. 1nm의 은층을 사용한 실험에서 태양전지의 태양에너지변환율은 1.7배 향상하였다. 은층을 미조정하면 더욱 고효율의 태양전지가 된다고 생각된다. (그림) 수광면(受光面)의 하부에 분산된 밝은 은도트(dot)의 전자현미경 사진.