과학자들이 유기 광전지에 대한 기록적인 효율성을 달성한 새로운 광물리적 메커니즘을 발견했습니다.

CityU 팀이 개발한 최고 성능의 OPV는 19% 이상의 PCE를 달성했으며 팀은 곧 20%를 초과할 것으로 예상하고 있습니다. 이번 발견은 OPV의 상용화에 유망하다.

유기 반도체를 기반으로 한 태양전지 기술인 OPV는 광활성 물질의 낮은 물질 독성과 광범위한 분자 조정 가능성으로 인해 청정 에너지의 유망한 후보로 간주됩니다. 현재 대부분의 고성능 유기 광전지는 전자 공여체와 수용체 물질이 장치의 활성층 전체에 혼합되어 구성된 '벌크 이종 접합'(BHJ) 구조를 채택합니다(그림 1 참조).

OPV에서 햇빛을 전기로 변환할 때 햇빛의 에너지는 엑시톤(음전하를 띤 전자와 양전하를 띠는 정공)을 생성한 다음 나노크기 공여체-수용체 경계면에서 자유 전자와 정공으로 해리되어 전하 캐리어(광전류)를 생성하고 그러므로 전기.

그러나 이러한 전하 캐리어가 전극에 의해 수집되지 않고 도너-억셉터 인터페이스에서 다시 서로 만나면 재결합하여 소위 저에너지 '스핀-삼중항 엑시톤'을 형성할 수 있습니다(T₁), 이는 연속적으로 다시 바닥 상태로 이완되어 열 형태의 에너지 손실을 일으키고 이에 따라 광전류 손실이 발생합니다. 이 되돌릴 수 없는 프로세스는 OPV가 달성할 수 있는 최대 PCE를 크게 제한합니다.

CityU의 홍콩 청정 에너지 연구소 소장이자 Lee Shau Kee 재료 과학 석좌교수인 Alex Jen Kwan-yue 교수가 이끄는 연구팀은 T를 억제하기 위한 새로운 장치 공학 전략을 고안하여 이러한 장애물을 극복했습니다.₁ 형성 및 관련 재조합 손실을 최소화하여 OPV의 기록적인 효율성을 달성했습니다.

'우리는 T를 조절한 최초의 팀입니다.₁ 젠 교수는 “광활성 물질의 성질을 바꾸지 않고 소자공학을 통해 형성하고 근본적인 메커니즘을 밝히고자 한다”며 “이러한 전략을 사용해 다른 14개 재료 시스템으로 확장해 이번 연구의 보편적 적용 가능성을 보여줬다”고 말했다. ' 그들의 연구 결과는 과학 저널에 게재되었습니다. 자연 에너지, 제목은 '평면 혼합 이종접합 아키텍처를 채택하는 유기 광전지의 재결합 손실 억제.'입니다.

팀은 OPV 활성층 내부의 공여체-수용체 인터페이스를 줄이기 위해 태양전지 내부의 전통적인 고도로 혼합된 벌크-이종접합(BHJ) 아키텍처를 다소 혼합된 '평면 혼합 이종접합'(PMHJ)으로 대체함으로써 전하 캐리어의 재결합을 억제하여 OPV의 에너지 변환 손실을 완화했습니다. 이 발견은 OPV의 광전류를 극대화하여 19% 이상의 높은 PCE를 갖는 장치를 탄생시켰습니다.

'전통적인 상호 혼합 벌크 이종접합(BHJ) 아키텍처와 비교하여, 우리의 PMHJ(de-mixed planar-mixed heterojunction) 전략은 공여체-수용체 인터페이스에서 전하 이동 상태에 의해 매개되는 손실 경로를 억제할 수 있습니다. ' 젠 교수가 설명했다. '우리는 평면 혼합 이종접합에서 공여체-수용체 접촉이 적으면 재조합 가능성이 최소화되고 T가 감소한다는 사실을 밝혔습니다.₁ 집중. 이는 연구자들이 OPV에 대해 이전에 가졌던 인상, 즉 기증자와 수용체의 접촉이 많을수록 OPV 성능이 높아진다는 기존의 인상을 근본적으로 바꿉니다.'

'우리의 전략으로 달성된 최적의 광전압-광전류 절충은 무기 광전지에 필적하는 경쟁력 있는 효율성을 가진 OPV를 가능하게 합니다'라고 이번 연구에 참여한 화학과 박사후 연구원인 Francis Lin 박사는 덧붙였습니다. 그는 유기 태양전지는 무기 태양전지에 비해 얇은 플라스틱 필름처럼 가볍고 유연하며, 롤투롤(roll-to-roll) 인쇄 생산을 통해 비용 효율적인 제조가 가능하다는 점 등 여러 가지 장점을 가지고 있다고 설명했습니다.

연구팀은 이번 발견이 미래의 유기 광전지가 완전한 가능성을 달성하고 유기 반도체의 다양한 광물리학 과정에 대한 새로운 연구 물결을 자극할 수 있는 포괄적인 기반을 제공한다고 믿습니다.

그들은 발견에 대한 특허를 신청하고 있습니다. '우리는 광물리적 과정을 조절하는 새로운 발견에 따라 OPV의 성능을 더욱 향상시키기를 희망합니다. 이는 OPV의 상용화를 촉진할 수 있는 최대 잠재력을 재정의합니다.'라고 Jen 교수는 말했습니다.

CityU의 Jen 교수와 Lin 박사, Nanjing University의 Zhang Chunfeng 교수가 논문의 교신저자입니다. 첫 번째 저자에는 Jen 교수 그룹의 연구 조교로 재직할 때 연구에 참여했던 CityU 화학과 박사과정 학생인 Mr Jiang Kui가 포함됩니다.

이 연구는 Lee Shau-Kee 석좌교수직(재료과학), CityU, 홍콩 혁신기술위원회, 홍콩 연구보조금위원회, 기초 및 응용 분야의 광동 주요 프로젝트 등 다양한 자금 출처의 지원을 받았습니다. 기초 연구 및 광전자 및 자성 기능성 재료의 광동-홍콩-마카오 공동 연구소.