유연한 태양전지의 전력 변환 효율이 대폭 향상되었습니다!

최근 중국과학원 산하 칭다오 생물에너지 및 생물공정기술연구소(QIBEBT) 연구진은 삼원계 유기 태양전지(TOSC)에 사용되는 재료를 개선해 기존 태양전지와 유사한 효율 수준을 달성했다. 이번 연구는 'Advanced Materials' 저널에 게재됐다. 유기 광기전 태양전지(OSC)는 결정질 실리콘이나 기타 무기 물질을 사용하는 전통적인 무기 태양전지와 달리 유기 물질, 일반적으로 작은 분자 또는 폴리머를 사용하여 햇빛을 전기로 변환하는 태양전지 유형입니다.

유기 태양전지의 주요 장점 중 하나는 다용도성과 경량성입니다. 잉크젯 인쇄와 같은 솔루션 기반 기술을 사용하면 저렴한 비용으로 생산할 수 있어 견고한 패널 대신 유연한 롤을 사용할 수 있습니다. 결과적으로 센서, 휴대용 충전기, 웨어러블 전자 기기 등 다양한 분야에서 응용 분야를 찾고 있습니다. OSC는 반투명하거나 유색일 수도 있어 미적으로 보기 좋고 건물, 창문 및 기타 구조물에 통합하기에 적합합니다.

그러나 유기태양전지는 무기태양전지에 비해 전력변환효율(PCE)이 낮아 TOSC가 이를 개선하고자 한다. 표준 바이너리 유기 태양전지는 도너 재료와 억셉터 재료로 구성되지만 TOSC는 "게스트" 재료로 알려진 세 번째 구성 요소를 포함한다는 점에서 다릅니다.

이 게스트 구성 요소의 포함은 셀의 내부 에너지 흐름을 변경하고 셀이 빛을 전기로 변환하는 방법을 최적화하는 등 태양 전지 성능의 다양한 측면을 향상시키는 데 중요합니다. 게스트 구성 요소는 태양 전지가 흡수할 수 있는 빛의 스펙트럼을 넓힐 수 있으므로 PCE를 높이는 데 특히 중요합니다. 도너 또는 억셉터 재료로 덮이지 않은 영역에서 빛을 흡수하는 게스트 재료를 선택함으로써 전지의 전반적인 광 흡수 용량을 향상시킬 수 있습니다. 또한 혼합 필름의 형태를 미세 조정하여 엑시톤 해리, 전하 생성 및 전송에 영향을 줄 수 있습니다.

게스트 구성 요소가 여러 가지 다양한 활동을 수행할 수 있다는 점을 고려하면 태양 전지 "샌드위치" 또는 매트릭스 내의 정확한 위치는 성능에 큰 영향을 미칩니다. 게스트 구성 요소에는 세 가지 가능한 위치가 있습니다. 즉, 도너 재료 내에 내장되거나, 억셉터 재료 내에 내장되거나, 도너와 억셉터 사이의 인터페이스에 분산되어 합금과 같은 혼합 구조(집합체)를 생성합니다. 그러나 최근까지 게스트 구성 요소의 위치에 대한 실험적 고려는 상대적으로 거의 없었습니다.

연구에서 과학자들은 TOSC에 결정성 측면에서 다른 게스트 구성 요소 재료와 다른 LA1이라는 게스트 구성 요소를 사용했습니다. LA1은 소분자 수용체이며, 연구진은 이를 광전지 시스템용 유기 물질에 일반적으로 사용되는 작용기인 페닐알킬 측쇄로 변형했습니다.

페닐 알킬 측쇄를 포함하도록 LA1을 변형하면 충분한 호환성을 유지하면서 결정성과 정렬이 모두 증가하여 TOSC 성능이 향상되었습니다.

또한 연구진은 호스트/게스트 호환성, 표면 에너지, 결정 역학, 분자간 상호 작용 등 호스트와 게스트 구성 요소 간의 상호 작용에 영향을 미치는 변수를 변경하여 게스트 구성 요소의 분포를 제어했습니다. 그들은 대부분의 게스트 분자에서 합금과 같은 집합체를 발견했는데, 이는 전체 호스트 매트릭스에 침투하여 확산되었습니다.

이러한 통합된 호스트/게스트 "합금"의 결정 크기는 쉽게 조정되어 전하 이동을 향상시키고 전하 재결합을 억제하여 초기 PCE를 15% 이상 증가시킬 수 있습니다. 그 후 게스트 구성 요소와 Y6 시리즈 억셉터를 주 구성 요소로 결합하여 19% 이상의 효율성 향상을 달성했습니다.

연구자들은 상당한 실험적 성공을 거두었다고 믿고 있지만 앞으로는 이러한 장점을 이끄는 기본 요소에 대한 더 나은 이해가 필요합니다. 그들은 이러한 기본 시스템에 대한 더 깊은 통찰력을 얻기를 희망합니다.

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