고려대·이화여대 공동연구팀, 고효율 유기태양전지 개발

↑ 주기적 플라즈모닉 은 나노닷 제작 과정 모식도

기존의 유기태양전지 단점을 보완한 고효율 유기태양전지가 국내 대학 공동연구팀에 의해 개발됐다.
주병권 고대 교수와 김동하 이대 교수 공동연구팀은 규칙적인 은나노닷(나노 크기의 요철을 가지는 은 재질의 모양)의 플라즈모닉 구조를 도입한 고효율 유기태양전지를 공동개발했다고 21일 밝혔다.
유기태양전지는 고분자 유기물 기반으로 제작된 태양전지로 저렴한 비용과 가볍고 간단한 제조 과정, 유연성 등의 이점으로 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 하지만 빛을 흡수할 수 있는 층이 수십 나노미터 수준으로 매우 얇아 광전 변환 효율이 낮아서 그동안 상용화에 어려움이 있었다.
공동연구팀은 유기태양전지의 낮은 전류밀도와 광 흡수도를 개선하기 위한 하나의 방법으로 금속 나노입자를 이용한 플라즈모닉 효과를 활용해 유기 태양전지 효율을 향상시켰다. 기존의 낮은 태양전지 효율을 극복하기 위해 규칙적(주기적)인 은 나노 닷(나노 사이즈의 요철을 가지는 은(Ag) 재질의 모양)의 플라즈모닉 구조를 도입한 고효율 유기태양전지를 개발했다.
플라즈모닉은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하며 강한 전기장을 생성하는 현상을 말한다. 기존 유기태양전지에 도입되는 플라즈모닉 구조체는 불규칙적인 나노입자를 많이 사용했으나 불규칙적인 나노입자는 임의로 분포되는 특성상 제어가 힘들고, 복잡한 공정과정이 요구되는 등 한계가 있었다.
연구팀은 레이저 간섭 리소그래피 공정법을 사용해 배열이 규칙적이고 공정 오차가 적은 나노 크기의 플라즈모닉 구조체를 제작했으며, 이렇게 제작된 은 나노닷을 유기태양전지에 도입해 은 나노닷의 공명 파장과 광 활성층의 흡수파장이 일치하도록 디자인해 광 활성층의 빛 흡수를 극대화했다.
주병권 고대 교수는 “레이저 간섭 리소그래피 기반 플라즈모닉 구조체의 공정 방법은 유기태양전지 뿐만 아니라, 유기발광다이오드 (OLED) 등과 같은 다양한 광학 어플리케이션에서 적용 가능할 것”이라고 말했다.
김동하 이대 교수는 “플라즈모닉 현상이 유기태양전지에 미치는 세 가지 메커니즘을 규명한 논문”이며, “향후 플라즈모닉 기반 유기 전자소자의 메커니즘을 규명하는데 중요한 역할을 할 것”이라고 강조했다.
이번 연구성과는 나노분야에서 가장 권위 있는 국제학술지인 ‘에이씨에스(ACS Nano)’에 지난 3일 게재됐다.
[디지털뉴스국 조성신 기자]