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Nov 18, 2023

연구에 따르면 유기 태양전지가 그렇게 빨리 성능이 저하되는 이유가 밝혀졌습니다.

케임브리지 대학의 과학자들은 이제 그 이유를 밝혀냈습니다.

캠브리지 대학의 과학자들은 이제 유기 태양전지가 실외 작동에서 급속히 성능이 저하되는 중요한 이유를 밝혀냈습니다. 유기 태양 전지는 청정 에너지 응용 분야에 큰 가능성을 보여줍니다. 그러나 유기 반도체로 만든 광전지 모듈은 실제 응용 분야에서 햇빛 아래에서 충분히 오랫동안 효율성을 유지하지 못합니다.

해당 보고서는 Joule 저널에 게재되었습니다.

새로운 통찰력은 유기 반도체 기반 광전지를 위한 보다 안정적인 재료의 설계를 촉진하여 저렴하고 재생 가능한 전력 생산을 가능하게 할 것입니다.

최근 유기(탄소 기반) 반도체로 만든 태양 전지가 햇빛을 전기로 변환할 수 있는 효율성이 향상됨에 따라 이러한 광전지 장치의 장기적인 안정성을 향상시키는 것이 점점 더 중요한 주제가 되고 있습니다.

실제 기술을 적용하려면 광전지 장치의 효율성이 수년 동안 유지되어야 합니다. 이 핵심 문제를 해결하기 위해 연구자들은 유기 태양전지의 광흡수층에 사용되는 두 가지 구성 요소인 '전자 공여체'와 '전자 수용체' 물질의 분해 메커니즘을 연구했습니다. 이 두 구성 요소는 광자가 흡수된 후 형성된 결합된 전자-정공 쌍을 전류를 구성하는 자유 전자와 정공으로 분리하는 데 필요합니다.

이미지는 유기 태양 전지가 노출로 인해 저하됨에 따라 진행되는 현상을 보여줍니다. 연구를 통해 팀이 발견한 문제가 무엇인지, 디자인을 어떻게 개선할 수 있는지 보여줍니다. 이미지 제공: 캠브리지 대학교. 자세한 내용을 보려면 Joule에 게재된 연구 보고서 논문을 클릭하세요. 논문을 게시할 때 페이월 없이 공개 액세스가 가능합니다.

이 새로운 연구에서 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소(Cavendish Laboratory)가 이끄는 국제 연구진은 처음으로 전자 공여체와 전자 수용체 물질 모두의 분해 경로를 고려했습니다. 전자 공여체 물질에 대한 상세한 조사는 현재 연구 작업을 이전 연구와 차별화하고 해당 분야에 대한 중요한 새로운 통찰력을 제공합니다.

구체적으로, 전자 공여체 물질에 고유한 초고속 비활성화 프로세스의 식별은 이전에 관찰되지 않았으며 유기 태양 전지의 물질 저하를 고려하는 새로운 각도를 제공합니다.

이러한 물질이 어떻게 분해되었는지 이해하기 위해 Cavendish 연구원들은 영국, 벨기에 및 이탈리아의 과학자들과 함께 국제 팀의 일원으로 협력했습니다. 그들은 함께 작동하는 태양 전지가 햇빛과 거의 일치하는 강렬한 빛의 영향을 받는 광전지 장치 안정성 연구와 캠브리지에서 수행된 초고속 레이저 분광학을 결합했습니다.

이 레이저 기술을 통해 그들은 고분자 사슬의 비틀림과 관련된 전자 공여체 물질의 새로운 분해 메커니즘을 확인할 수 있었습니다. 결과적으로 꼬인 폴리머가 광자를 흡수하면 펨토초(100만분의 1초) 단위로 매우 빠른 비활성화 경로를 겪게 됩니다. 이 바람직하지 않은 과정은 광자로부터의 자유 전자와 정공의 생성을 능가할 만큼 충분히 빠르며, 과학자들은 시뮬레이션된 햇빛에 노출된 후 유기 태양 전지의 효율성 감소와 상관관계를 파악할 수 있었습니다.

논문의 주요 저자인 Alex Gillett 박사는 "고분자 사슬의 비틀림처럼 사소해 보이는 것이 태양전지 효율에 이렇게 큰 영향을 미칠 수 있다는 사실을 발견한 것은 흥미로웠습니다. 앞으로 우리는 "우리는 더 견고한 폴리머 백본을 가진 새로운 전자 공여체 물질을 설계하기 위해 화학 그룹과 협력하여 우리의 발견을 기반으로 합니다. 우리는 이것이 폴리머의 비틀림 성향을 줄여 유기 태양 전지 장치의 안정성을 향상시킬 수 있기를 바랍니다."

독특한 특성으로 인해 유기 태양전지는 기존의 실리콘 광전지가 적합하지 않은 광범위한 응용 분야에 사용될 수 있습니다. 여기에는 광합성에 필요한 빛의 색상을 전송하는 온실용 전기 생성 창이나 심지어 쉬운 운송 및 이동식 전기 생성을 위해 말아올릴 수 있는 광전지도 포함될 수 있습니다. 따라서 해결해야 할 열화 메커니즘을 식별함으로써 현재 연구는 차세대 광전지 재료 및 응용 프로그램을 현실에 더 가깝게 만듭니다.