무기 태양전지와의 광흡수에 의한 전하 생성 메케니즘의 차이를 고려하여 유기 태양전지의 광전기 변환 효율의 이론적 한계를 계산했다.
태양전지의 광전기 변환 효율은 반도체의 밴드갭, 열로 소실, 그리고 전하 재결합과 같은 인자에 의해 제한된다.
밴드갭 보다 낮은 빛에너지는 흡수되지 않아 전기 생산에 기여하지 못하고 밴드갭 보다 큰 빛에너지는 열로 소실되어 전압이 감소한다.
만약 광생성 전하가 전극에 도달하기 전에 재결합에 의해 손실이 일어난다면 전류는 떨어진다.
이렇게 해서 무기 태양전지의 광전기 변화 효율의 이론적 한계가 약 30%라고 Shockley와 Queisser에 의해 1961년에 계산되었다.
유기 물질의 경우 광을 흡수하면 양전하와 음전하 사이의 강한 쿨롱 인력이 작용하여 엑시톤이라고 부르는 결합된 전자-홀 쌍이 생성된다.
유기 물질에서 엑시톤의 쿨롱 결합 에너지는 상온의 열에너지의 보다 최소한 10배 큰 것으로 추산된다.
단일 유기 물질 내에서는 엑시톤의 전하 분리가 불충분하기 때문에 유기 태양전지의 두 형태의 물질로 구성되어 있다: 양이온 띄려는 유기 물질과 음이온을 띄려는 유기 물질. 이들 물질 사이의 계면에서 엑시톤의 전하가 분리된다.
(그림 1 : 유기 태양전지의 전하 분리 메케니즘의 도식도: 빛은 일반적으로 유기 양이온을 띄려는 분자(도너)에 의해 흡수되며 도너 안에 있는 전자는 엑시톤을 형성한다. 그런 다음 전하 분리가 일어난다. 결과로써, 도너는 양이온이 되고 업셉터는 음이온이 된다. 이 과정에서 전자는 전하 분리(∆EDA)에 필요한 과잉 에너지를 잃는다.)
이번 연구는 유기 태양전지에서 전하 분리를 위해 필요한 과잉 에너지(excess energy)의 존재에 맞쳐져있다.
Shockley와 Queisser 이론에서의 과잉 에너지는 전하 재결합률을 증가시켜 전압과 전류를 떨어뜨린다는 것을 보여준다. 하지만 과잉 에너지는 유기 태양전지에서 다른 역할을 한다.
결합된 양전하와 음전하 사이의 거리가 1 nm이고 유기 물질의 유전상수가 3.5일 때 쿨롱 상호작용을 이용하면 전하 분리를 위한 과잉 에너지는 0.3~0.4 eV로 계산된다.
(그림 2 : 전하 분리를 위한 과잉 에너지가 0.4 eV일 때 다중접합과 단일접합 유기 태양전지이 광전기 변환 효율의 이론적 한계와 흡수 가능한 빛에너지의 최소값(광흡수단, optical absorption edge) 사이의 관계. 적색선은 전통적인 단일 접합 무기 태양전지의 이론적 한계를 나타낸다.)
전하 분리를 위한 과잉 에너지가 0.4 eV일 때 유기 태양전지의 효율 한계는 21%이다.
유기 태양전지를 가장 높은 효율로 끌어 올리는 흡수광의 파장은 827 nm(1.5 eV)로 계산되었다. 이것은 광을 흡수하는 도너 유기 물질을 선택할 때 가이드를 제공한다.
유기 태양전지의 이론적 효율 한계 21%은 현재의 효율 10~12% 보다 높기 때문에 유기 물질 선택과 구조 최적화를 통해 유기 태양전지의 효율은 향상 될 여지는 충분히 있다.
참고: http://phys.org/news/2014-03-efficiency-solar-cells.html
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