세계 최초 메타물질 이용 광전소자 전력효율 개선

우정원 교수 연구진, 전하이동 제어 기술 개발 이욱재 기자l승인2017.06.19l수정2017.06.19 11:00

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▲ 우정원 교수

태양전지 효율 획기적 개선 등 다양한 활용 기대

[한국에너지신문] 우정원 이화여대 교수<사진> 연구진이 메타물질로 전하이동을 제어해 광전소자의 전력생산 효율을 높이는 원천기술을 세계 최초로 개발했다.

기존에는 광전소자의 전력 효율을 높이기 위해 소자의 구조 자체를 조절하는 세밀한 광학 설계 기술을 이용해 왔다. 우 교수팀은 복잡한 공정 없이도 광전소자에서 발생하는 전하 이동 현상을 메타물질로 제어해 광전소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 했다. 연구결과는 국제적인 학술지 네이처 머터리얼즈(Nature Materials) 6월 5일 자에 게재됐다.

차세대 에너지 소자로 주목을 받고 있는 유기 태양전지는 1세대 태양전지인 실리콘계 태양전지와 2세대 태양전지인 박막 태양전지보다 가공이 쉽고 재료가 다양하며 저렴한 가격으로 제작할 수 있다. 발전효율 향상이 빠르며 유연소자로 개발할 수 있어 3세대 태양전지로 기대를 받고 있다.

빛을 흡수해 광활성층의 도너에서 생성된 전자-정공쌍인 엑시톤은 억셉터로 이동해 전자-정공으로 분리되고 전자는 양극, 정공은 음극에 모여 전류를 생성시킨다. 엑시톤의 시상수가 짧으면 억셉터로 가기도 전에 전자-정공쌍이 재결합해 전류를 생성할 수 없다. 엑시톤의 시상수가 길면 억셉터로 갈 확률이 높아져 전류 생성률이 증가하게 된다.

이번 연구에서는 빛의 파장보다 약 70배 얇은 10nm 두께의 은과 산화막을 교대로 층층이 쌓아 제작한 메타물질 위에 코팅한 분자에서 일어나는 전하이동 현상을 메타물질을 이용해 임의로 조절할 수 있음을 밝혀냈다. 메타물질을 이용해 분자 주변의 유전 상수값을 낮춰 엑시톤이 전자와 정공으로 분리되지 않고 긴 시간 유지하는 데 성공해 소자의 전력생산 효율을 획기적으로 높아지게 한 것이 이번 연구의 핵심이다.

우 교수는 “이번 연구는 메타물질을 이용해 메타물질 위에 적층한 분자층에서 일어나는 전하이동 현상을 능동적으로 조절할 수 있는 방법을 세계최초로 제안했다는 점에서 학문적 의의가 크다”며, “향후 유기 태양전지에 적용할 경우 태양광을 전기로 변환하는 효율을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대한다”고 밝혔다.  


이욱재 기자  luj111@koenergy.co.kr
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