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경북대 수소 및 신재생에너지학과 차효정 교수는 영국 임페리얼 컬리지 제임스 듀란트 교수(Prof. James R. Durrant) 연구팀과 공동연구를 통해 유기태양전지에서의 물질 에너지와 전하 수명의 상관관계를 규명했다.
유기태양전지의 전하 분리 현상에 대한 새로운 사실을 밝혀내 그 동안 관련 연구 분야에서 당연하게 받아들여졌던 유기태양전지에서의 전하 분리 현상을 수정하고, 에너지 효율을 높일 수 있는 새로운 가능성을 제시했다. 연구 결과는 저명 국제학술지인 ‘미국 화학회지 (Journal of the American Chemical Society)’ 5월 26일자에 속표지로 게재됐다.

유기태양전지는 전자 주게 물질과 전자 받게 물질의 벌크 이종 접합 블렌드를 광활성층으로 사용한다. 광활성 층 내에서 빛에 의해 형성된 엑시톤(exciton)은 전자 주게와 전자 받게의 계면에서 분리 후 전하 이동(Charge Transfer, CT) 상태를 형성하며, 학계에서는 이 전하 이동 상태의 에너지는 유기태양전지의 개방 회로 전압(VOC) 및 에너지 손실과 상관 관계가 있음을 밝히고 있다.

차 교수 팀은 이러한 전하 이동 상태에서 자유전하로 얼마나 효율적으로 분리되는 지에 대한 광물리학적 동역학에 주목하였고 특히 전하 이동 상태에서의 전하 수명이 물질 에너지에 의해 어떻게 영향을 받는 지에 대해 연구하였다.
차 교수 팀은 펨토초 순간 광 흡수 분광법을 이용하여 유기태양전지에 사용되는 물질들의 엑시톤과 전하 이동 상태의 에너지 차이가 감소함에 따라 에너지 혼성화가 증가하여 에너지 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 엑시톤 전하 수명이 긴 전자 주게 물질을 설계하여 전하 이동 상태에서의 전하 재결합을 억제함으로써 유기태양전지의 효율을 높일 수 있음을 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 신진연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다.