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미국 라이스 대학(Rice University)의 연구진은 새로운 유연한 유기 태양전지를 개발했는데, 이것은 저전력의 연속적인 발전이 필요한 곳에 유용할 것이다. 전기적 활성 물질은 전류 흐름에 거의 손실을 주지 않는 탄성 첨가제 네트워크를 사용했다. 표면에 페인트하거나 인쇄할 수 있는 유기 태양전지는 점점 더 높은 효율을 가지도록 연구되고 있고, 유연해야 하는 옷 같은 분야에 적용될 수 있을 것이다. 유기 태양전지는 태양광을 포획해서 이것을 전류로 변환시키는 고분자를 포함하는 탄소 기반의 무기물로 만들어진다. 유기물은 얇고 가볍고 반투명하며 저렴하다. 상용 실리콘 기반의 태양전지는 약 22%의 효율을 가지는데 비해서 유기 태양전지는 약 15%의 효율이 가장 높은 수치이다. 실리콘 태양전지는 늘리거나 구부리면 활성 층에서 균열이 발생한다. 이번 연구진은 이런 취성 문제를 해결하기 위해서 유연한 폴리머 또는 유기 반도체를 조사했다. 그래서 반도체 중합체 대신에 황 기반의 티올-엔(thiol-ene) 시약을 발견했다. 티올-엔 분자는 폴리머와 결합했고 그 후에 유연성을 가지도록 서로 가교 결합했다. 이 프로세스는 비용이 많이 들지 않는다. 활성 층의 50%를 이 물질로 대체하면 재료의 무게가 50% 정도 증가해서 전류가 감소한다. 따라서 티올-엔을 얼마를 넣을지가 중요하다. 전자장치로서 쓸모없지 않을 정도로 최대한 넣어야 할 것이다. 약 20%의 티올-엔을 넣었을 때 태양전지의 효율성을 유지하면서 유연성을 가진다는 것을 발견했다. 순수한 P3Ht(active polythiophene-based layer)는 약 6%의 변형에 균열이 발생했다. 10%의 티올-엔을 첨가했을 때, 14%까지 변형해도 아무런 문제가 없었다. 다만, 약 16%의 변형을 주었을 때 재료 전체에서 균열이 발생했다. 변형에 의한 손상은 힘이 없어졌을 때 물질에 영향을 끼친다. 이러한 변형은 장치에 미세한 파열을 발생시키고 장치의 성능을 매우 저하시킨다. 향후에는 다른 유기 태양광 물질을 사용하고 더 적은 첨가물로 더 높은 신축성을 가지는 연구를 수행해야 할 것이다. 이 연구결과는 저널 Chemistry of Materials에 “Network-Stabilized Bulk Heterojunction Organic Photovoltaics” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03791). |
