새로운 폴리머 물질로 태양전지 출력 향상시키기

고효율 태양전지를 위한 과제 중 하나는 흡수된 빛 에너지 일부가 열로 소실되는 것을 최소화하는 것이다. 그래서 과학자들은 그러한 에너지를 유용한 전기로 변환시킬 수 있는 물질을 디자인하려하고 있다. 

Brookhaven National Laboratory (Upton, NY)와 Columbia 대학이 이와 관련된 연구를 수행했다. 

그들은 고분자의 짝을 만들어 포톤당 2개의 전하 캐리어를 생성시켜 소실될 에너지 일부를 복원했다.

(그림 1: Singlet fission이 가능한 분자와 폴리머 물질을 위한 템플릿 디자인) 

그들은 어떻게 multiple exciton generation (MEG)가 단분자 폴리머 체인에서 효과적으로 일어나는지 보여준다. 

동일 분자에서 2개의 전하를 갖는다는 것은 광을 흡수하고 에너지를 생산하는 물질이 여분의 전하를 생산하기 위해 완벽한 결정으로 배열될 필요가 없다는 것을 의미한다. 

대신, self-contained 물질이 액체에 용해되어 있을때 효과적으로 작동한다. 이는 산업 규모의 제조 공정을 가능하게 한다.  

포톤 하나 당 2개의 전하를 생산하는 개념은 singlet fission이라고 한다. 

단일 접합 태양전지의 이론 효율은 34%이다. Singlet fission을 이용한다고 하더라도 이론 효율의 2배를 넘을 수 없는데 그 이유는 singlet fission 물질이 실질적인 전류-생산 소자와 결합되어야 하기 때문이다. 

지금까지 연구된 대부분의 singlet fission 물질에서는 쌍둥이 전하 캐리어가 분리된 분자에서 생성되었다. 이것은 물질이 long-range order를 갖는 결정 필름일때만 잘 작동하는데 강한 커플링이 이웃 분자에 추가 전하를 생성시킨다.  

고품질의 결정 필름을 태양전지 제조에 접목하는 것은 공정을 복잡하게 한다. 반면 단일 폴리머 분자(강한 intrachain 도너-업셉터 상호작용을 하는)에서 쌍둥이 전하를 생산하는 것은 산업 공정에 훨씬 더 양립할 수 있는 물질을 만들 수 있게한다. 

그들은 시간 분해 광학 분광기로 단일 레이저 포톤을 이용해서 다양한 폴리머에 대해 singlet fission을 유도하고 정량화했다. 레이저 펄스를 물질에 쏘아서 일련의 약한 광 펄스를 통해 어떤 일이 일어나는지 조사했다. 

참고: http://www.plasticstoday.com/articles/Improving-solar-cell-output-with-new-polymer-material-150217