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유기박막 태양전지의 신소재 개발
이화학연구소, 2종류의 반도체 합성으로 고효율화

이화학연구소의 다지마(但馬) 팀 리더는 유기박막 태양전지의 효율 향상으로 이어지는 신소재를 개발했다. 빛을 받아 전자를 만들어내기 쉽도록 균일한 분자 구조를 가진 박막을 2종류의 반도체 소재로 만들었다. 다지마 팀 리더 연구팀은 앞으로 여러 종류의 반도체 소재 등을 연구해 효율을 높여 수 년 후의 기술 확립을 목표로 한다.

-- 전자 발생 면적 증가, 기술 확립을 목표로 --
유기박막 태양전지는 유기물의 반도체가 전기를 만들어내는 부분에 이용된다. 인쇄 기술을 이용해 유기물을 기판에 칠하기만 하면 되기 때문에 낮은 비용으로 간단히 만들 수 있다. 얇고 가벼울 뿐만 아니라 구부려도 부서지지 않기 때문에 건물 벽면 및 복잡한 형태의 지붕에도 설치가 가능하다. 발전 효율 향상이 보급을 위한 과제이다.

연구팀은 2종류의 유기물 반도체로 구성된 박막을 만드는 기술을 개발했다. 하나는 티오펜(Thiophene)이라고 하는 물질 등이 연결된 고분자 반도체. 다른 하나는 탄소 재료의 풀러렌(Fullerene)이라고 하는 물질이 함유된 반도체이다. 전자(前者)가 빛 에너지를 흡수해 후자에게 전달할 때 그 경계 면에서 전자(電子) 등이 발생. 이것을 전극을 통해 추출한다.

연구팀은 이 투명한 전극 위에 2종류의 반도체가 분자 레벨에서 연결된 것을 두께 약 100나노미터로 칠했다. 이것을 섭씨 250도로 수 분 간 가열하면 자기 조직화라는 현상으로 반도체가 종류별로 자연적으로 모이게 된다. 이 위에 금속 전극을 놓아 태양전지로 만드는 것이다. 전자의 왕래가 쉬운 최대 약 30나노미터 간격으로 2종류의 반도체가 나란히 놓여지도록 했다. 가열 후의 반도체를 현미경으로 보면, 미로와 같은 세밀하고 균일한 구조가 만들어져 있으며, 전자 등이 발생되는 경계 면의 면적이 늘어나 있다.

다지마 팀 리더는 “같은 소재라도 구조를 제어한다면 기능을 향상시킬 수 있다”라고 말한다. 현재는 빛을 에너지로 변환하는 효율이 약 1.5%에 불과하지만, 최적의 반도체 소재 조합을 발견한다면 그 10배로 향상시킬 수 있을 것으로 연구팀은 보고 있다.

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