주병권 교수팀, 이화여대 김동하 교수 연구팀과 플라즈모닉 효과 극대화시킨 고효율 OPV 개발. 광전변환효율 34% 증가, 플라즈모닉 효과 극대화한 새로운 공정법 가능성 제시.

▲ 왼쪽부터 오유린(고려대 전기전자공학과), 임주원(이화여대 화학나노과학과),

주병권 교수(고려대 전기전자공학부), 김동하 교수(이화여대 화학나노과학과)

공과대학 주병권 교수와 이화여대 김동하 교수 공동연구팀이 레이저간섭 리소그래피를 통해 나노사이즈의 규칙적인 은 나노닷을 제작하여 유기태양전지에 적용함으로써 광전변환 효율이 대폭 향상된 고효율 유기태양전지를 개발했다.

* 유기태양전지 : 유기 반도체를 광 활성층(빛을 받아들이는 부분)으로 하는 태양 전지.
* 광전변환 효율 : 빛에너지를 전기에너지로 변화시키는 효율. 이 현상을 일으키기 위한 빛과 전기의 중개자로 광전효과를 이용한다.

유기태양전지는 고분자 유기물 기반으로 제작된 태양전지로 저렴한 비용, 가볍고 간단한 제조과정, 유연성 등의 이점 때문에 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 그러나 빛을 흡수할 수 있는 층이 수십 나노미터 수준으로 매우 얇기 때문에 광전 변환 효율이 낮아서 상용화에 어려움이 많다. 본 연구에서는 유기태양전지의 낮은 전류밀도와 광 흡수도를 개선하기 위한 하나의 방법으로 금속 나노입자를 이용한 플라즈모닉 효과를 활용하여 유기 태양전지 효율을 향상시켰다.

*플라즈모닉 : 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하며 강한 전기장을 생성하는 현상.

기존 유기태양전지에 도입되는 플라즈모닉 구조체는 불규칙적인 나노입자를 많이 사용하였다. 그러나 불규칙적인 나노입자는 임의로 분포되는 특성상 제어가 힘들고, 복잡한 공정과정이 요구되는 등의 한계를 가지고 있었다.

이에 연구팀은 기존의 낮은 태양전지 효율을 극복하기 위하여 규칙적(주기적)인 은 나노 닷의 플라즈모닉 구조를 도입한 고효율 유기태양전지를 개발했다.

*은 나노닷: 나노 사이즈의 요철을 가지는 은 (Ag) 재질의 모양

연구팀은 레이저 간섭 리소그래피 공정법을 사용하여 배열이 규칙적이고 공정 오차가 적은 나노 크기의 플라즈모닉 구조체를 제작할 수 있었다. 이렇게 제작된 은 나노닷을 유기태양전지에 도입하여 은 나노닷의 공명 파장과 광 활성층의 흡수파장이 일치하도록 디자인하여 광 활성층의 빛 흡수를 극대화했다.

*광 활성층: 유기태양전지에서 빛을 받아 전자-양공을 생성하는 층

이렇게 개발된 고효율 유기태양전지는, 전류밀도 및 광전변환효율이 기존의 ITO 전극에 비해 30% 이상 증가했다. 전류밀도는 빛을 받아서 양 전극으로 이동하는 전하량과 비례하며 이 값이 크면 같은 빛의 세기에 대해 효율이 높은 태양전지를 제작 가능하다.

주병권 고려대 교수는 “레이저 간섭 리소그래피 기반 플라즈모닉 구조체의 공정 방법은 유기태양전지 뿐만 아니라, 유기발광다이오드 (OLED) 등과 같은 다양한 광학 어플리케이션에서 적용 가능할 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

김동하 이화여대 교수는 “플라즈모닉 현상이 유기태양전지에 미치는 세 가지 메커니즘을 규명한 논문”이며, “향후 플라즈모닉 기반 유기 전자소자의 메커니즘을 규명하는데 중요한 역할을 할 것”이라고 연구의 의의를 밝혔다.

산업기술평가관리원(산업통상자원부)에서 지원한 산업기술혁신사업과 한국연구재단(미래창조과학부)에서 지원한 중견연구자 지원사업 등의 지원을 통해 거둔 이번 연구 성과는 나노분야 가장 권위 있는 국제 학술지 중 하나인

‘ACS Nano’에 11월 3일자로 게재됐다.

- 논문명 : 10 % 이상 효율의 유기태양전지를 위한 레이저 간섭 리소그래피 기반 주기적 플라즈모닉 나노닷 구조체
     (Plasmonic Periodic Nanodot Arrays via Laser Interference Lithography for Organic Photovoltaic Cells with >10%

Efficiency)

- 저자 정보 : 오유린(고려대학교 전기전자공학과), 임주원(이화여자대학교 화학나노과학과), 김재근(고려대학교 전기전자공학과), 왕후안(이화여자대학교 화학나노과학과), 강병현(고려대학교 전기전자공학과), 박영욱(고려대학교 첨단소재부품개발연구소), 김희준(이화여자대학교 화학나노과학과), 장유진(이화여자대학교 화학나노과학과), 김동하(이화여자대학교 화학나노과학과), 주병권(고려대학교 전기전자공학부)

출처 : 커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)