유기 태양전지 연구의 패러다임 이동

(무질서 상태인 폴리머와 정돈된 플러렌 사이 계면에서의 경사가 엑시톤을 분리한다.)

Stanford 과학자들은 새로운 연구을 통해 어떻게 유기 태양전지가 태양광을 전기로 변환시키는지에 대해 널리 신봉되는 해석을 뒤집었다.

유기 태양전지의 효율에 있어서 극적인 향상이 최근 이어지고 있지만 소자가 어떻게 태양광을 전기로 바꾸는 것에 대한 근본적인 의문은 여전히 뜨거운 논쟁거리다.

그들은 이번의 연구를 통해 기존의 동작 이론은 틀렸다는 것을 암시했다.

일반적인 유기 태양전지는 플라스틱 폴리머와 다른 플렉서블 물질로 만들어지는 2개의 반도체 층으로 이루어져 있다.

셀이 광을 흡수하면, 하나의 포톤이 폴리머 원자에 있는 하나의 전자를 떨어져 나가게 하고 홀이 라고 부르는 빈 공간을 남긴다. 전자와 홀은 엑시톤이라고 하는 결합된 쌍을 곧바로 형성한다. 엑시톤이 분열되면 전자는 흡수된 다른 포톤에 의해 생긴 홀로 독립적으로 이동하게 된다.

이렇게 홀에서 홀로 전자의 연속적인 운직임이 전류를 만든다.

Standford의 연구자들은 무엇이 엑시톤을 분리시키는가에 대한 오래된 논쟁에 대해 고심했다.

엑시톤을 분리하기 위해서는 두 가지의 서로다른 물질이 필요하다. 만약 전자가 A 물질 보다 B 물질로 더 끌려간다면 전자는 B 물질로 이동한다. 이론적으로 그 전자는 B 물질로 이동 후에도 홀과 결합된 상태로 남아야한다.

근본적인 의문은 이 결합된 상태가 어떻게 분열되냐는 것이다.

널리 인정된  설명 중 하나는 hot exciton 효과이다. 이 아이디어는 전자가 A 물질에서 B 물질로 이동할 때 여분의 에너지를 나른다는 것이다. 이 여분의 에너지가 여기된 전자(열전자)가 홀과이 결합을 끊고 빠져 나갈 수 있는 충분한 속도를 준다. 하지만 이 가정은 이 번 실험과는 대치된다.

그들은 반도체 물질로 부터 광방출을 측정해서 여분의 에너지가 엑시톤을 분열시키는데 필요없다는 것을 알았다.

그럼 정말 무엇이 전자-홀 쌍을 분리시키는가?

그들은 정확한 답을 얻지는 못했지만 몇가지 힌트를 얻었다. 분자 수준에서의 무질서가 실제로 태양전지에서 반도체 폴리머의 성능을 향상시킨다라는 것을 알았다.

플라스틱 폴리머 고유의 물질서에 중점을 두고 두 반도체 층이 만나는 계면으로 부터 전자를 떨어져 나갈수 있는 새로운 물질을 설계했다. 유기 태양전지에서 계면은 이웃한 다른 영역에 비해 항상 더 물질서 하다. 이것이 전자를 무질서한 영역에서  질서 있는 영역으로 빨아 당기는 자연적인 경사도를 준다.

참고: http://news.stanford.edu/news/2013/november/exciton-solar-cell-111913.html