플라스틱 태양 전지의 성능을 향상시키는 나노기술

캐나다 국립 나노테크놀러지 연구소(National Institute for Nanotechnology)와 알버타 대학(University of Alberta)의 연구진은 플라스틱 태양전지(하이브리드 유기 태양전지)의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 개발했다. 저렴하고 대량 생산이 가능한 플라스틱 태양 패널의 개발은 기존의 패널를 만들기 위해서 고가의 고순도 실리콘과 물질들이 일반적으로 필요하기 때문에 세계의 많은 과학자들과 공학자들에게 많은 흥미를 끌고 있다.

플라스틱 태양전지는 샌드위치 구조로 불리는 특이한 기능을 가진 다른 물질층으로 만들어졌다고 이 연구를 이끌고 있는 질리안 부리악(Jillian Buriak) 교수가 말했다. 이것은 많은 다른 층을 가진 클럽하우스 샌드위치(clubhouse sandwich)를 생각하면 된다. 한 개의 층은 빛을 흡수하고 또 다른 층은 전기를 발생하는 것을 돕고 다른 층들은 장치로부터 전기를 끌어내도록 한다. 일반적으로 이 층들은 잘 고착되지 않아서 전기를 뽑아내지 못하기 때문에 비효율적인 장치가 된다. 연구진은 샌드위치를 만들기 위해서 마요네즈, 겨자, 버터 그리고 다른 특별한 소스가 함께 필요한 것처럼 이 샌드위치 구조의 각 층들도 함께 작동되도록 만들려고 하고 있다. 이것은 더 좋은 샌드위치를 만들고 더 좋은 태양전지를 만든다.

2년 동안의 연구로 연구진들은 샌드위치의 단지 한 부분을 구동시킴으로서 장치의 효율이 약 30 % 향상되는 것을 확인하였다.

이 연구진은 인듐 주석 산화물(indium tin oxide) 기판 위에 강한 thienylsilane 분자층을 발생시키고 이 특징을 조사했다. 이 분자층은 3,4-ethylenedioxythiophene의 전기화학 중합을 위해 필요한 산화 전위(oxidation potential)를 감소시켰다. 또한 전기화학적으로 만들어진 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(p-styrenesulfonate) (ePEDOT:PSS) 박막은 ITO로 제조된 유사한 박막보다 더 낮은 조도와 더 높은 전도성을 가지고 더 균일하게 된다는 사실을 발견했다. 연구진은 2,5-diyl-poly(3-hexylthiophene) (P3HT)/[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) 벌크 헤테로접합(bulk heterojunction) 태양전지에서 아무 처리되지 않는 ITO 전극보다 thienylsilane로 처리된 ITO 전극에서 상대적 향상을 보였다는 사실을 알게 되었다.

이 연구진은 저렴하게 제조할 수 있는 태양전지를 연구하기 위해서 공학, 물리학, 화학 분야의 연구원으로 구성되었다. 이러한 다양한 분야의 우수한 연구진 때문에 지극히 생산적으로 연구를 진행할 수 있었다고 연구진은 말했다. NRC와 알버타 대학의 연구진과 협력하여 이번 국립 나노테크놀로지 연구소의 연구진은 우수한 결과를 도출할 수 있었다.

연구진은 플라스틱 태양전지가 대량 생산되는데 5년에 7년 정도 걸릴 것이라고 추측했다. 차세대 태양 기술에는 플라스틱이 포함될 것이라고 연구진은 말했다. 또한 플라스틱 태양전지 물질은 잉크젯(ink jet) 같은 프린터로 저렴하고 빠르며 대량 생산할 수 있을 것이라고 덧붙였다.

이 연구결과는 ACS Applied Materials &Interfaces에 “Thienylsilane-Modified Indium Tin Oxide as an Anodic Interface in Polymer/Fullerene Solar Cells” 이라는 제목으로 게재되었다(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2009, 1 (2), pp 279?288, DOI: 10.1021/am800081k).

그림. (왼쪽) 전기중합하기 전의 분자구조 (오른쪽) 전기중합 후의 분자구조.