주기적 플라즈모닉 은 나노닷 제작 과정 모식도. 사진 제공=공동연구팀
유기태양전지는 고분자 유기물 기반으로 제작된 태양전지로 저렴한 비용, 가볍고 간단한 제조과정, 유연성 등의 이점 때문에 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 그러나 빛을 흡수할 수 있는 층이 수십 나노미터 수준으로 매우 얇기 때문에 광전 변환 효율이 낮아서 상용화에 어려움이 많다는 지적이 있다.
이에 대개의 경우, 유기태양전지의 낮은 전류밀도와 광흡수도를 개선하기 위한 하나의 방법으로 금속 나노입자를 이용한 플라즈모닉(속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하며 강한 전기장을 생성하는 현상) 효과로 유기 태양전지 효율을 향상시키고자 했다. 기존 유기태양전지에 도입되는 플라즈모닉 구조체는 불규칙적인 나노입자를 많이 사용했다. 그러나 불규칙적인 나노입자는 임의로 분포되는 특성상 제어하기가 힘들고, 복잡한 공정과정이 소요되어 한계를 가지고 있었다.
따라서 공동연구팀은 기존의 낮은 태양전지 효율을 극복하기 위하여 규칙적이고 주기적인 은 나노 닷(나노 사이즈의 요철을 가지는 은 재질의 모양)의 플라즈모닉 구조를 도입한 고효율 유기태양전지를 개발했다.
공동연구팀은 레이저 간섭 리소그래피 공정법을 사용하여 나노 단위의 작은 은 나노닷을 제작하였다. 이로 인해 나노단위의 은 나노닷을 규칙적이고 오차 적은 플라즈모닉 나노구조체를 제작했다.
제작된 은 나노닷을 유기태양전지에 도입하여, 은 나노닷의 공명 파장과 광활성층(유기태양전지에서 빛을 받아 전자-양공을 생성하는 층)의 흡수파장이 일치하도록 디자인하여 광활성층의 빛 흡수를 극대화했다.
이렇게 개발된 고효율 유기태양전지는, 전류밀도 및 광전변환효율이 기존의 ITO 전극에 비해 30% 이상 증가했다. 전류밀도는 빛을 받아서 양 전극으로 이동하는 전하량과 비례하며 이 값이 높으면 같은 빛의 세기에 대해 효율이 높은 태양전지를 제작 가능하다.
이번 연구에 참여한 주병권, 김동하 지도 교수와 제1 저자인 오유린, 임주원 연구원. 사진 제공=공동연구팀
주병권 교수는 “레이저 간섭 리소그래피 기반 플라즈모닉 구조체의 공정 방법은 유기태양전지 뿐만 아니라, 유기발광다이오드 (OLED) 등과 같은 다양한 어플리케이션에 적용 가능할 것이다. 이는 향후 고효율 전자소자에 필수적인 공정법”이라고 연구의 의의를 밝혔다.
김동하 교수는 “플라즈모닉 현상이 유기태양전지에 미치는 세 가지 메커니즘을 규명한 논문이다. 향후 플라즈모닉 기반 유기 전자소자의 메커니즘을 규명하는데 중요한 역할을 할 것”이라고 덧붙였다.
임주원 이화여자대학교 화학나노과학과 연구원은 “플라즈모닉 구조체가 유기 전자소자에 미치는 효율증대 현상의 원인을 실험적으로 규명한 연구성과로 향후 고효율 유기 태양전지의 상용화에 기여할 수 있길 희망한다”라고 말했다.
한편, 한국연구재단에서 지원한 전자정보디바이스산업원천기술개발과 중견연구자 지원 사업(미래창조과학부) 등의 사업 지원을 통해 거둔 이번 연구 성과는 나노분야 가장 권위 있는 국제 학술지 중 하나인 ‘ACS Nano’에 11월 3일자로 게재됐다.
김경민 기자 mercury@ilyo.co.kr
