3. 3세대 태양전지, 유기 태양전지의 원리 (feat. 페로브스카이트)

오늘은 '3세대 태양전지'의 '유기 태양전지'에 대해서 포스팅을 하겠습니다.

'3세대 태양전지'는 현재 연구를 본격적으로 진행하고 있는 세대라고 생각하시면 됩니다!

저번 포스팅에서 보신대로, 유기 태양전지는 효율이 좋지 않습니다.
근데 왜? 유기 태양전지가 '3세대 태양전지'로 선정이 된 거일까요?

한 가지 예를 들어드리겠습니다.
갤럭시 7보다 갤럭시 10의 성능이 2배 정도 안 좋다고 생각해봐요.
근데, 갤럭시 10은 휘어지기도 하며, 엄청 쌉니다. 한 10만 원이면 구매할 수 있다고 해요.
갤럭시 7은 100만원입니다.
가격은 10배 높은데, 성능은 고작 2배 낮습니다.
무엇을 구매하시겠습니까?

유기 태양전지의 원리

유기 태양전지는 무기 태양전지와는 달리, PN 접합으로 이루어지지 않았습니다.
전자주개 및 전자받개로 접합되어 있지요.
이 전자주개, 받개는 반도체가 아닌 '유기물'입니다. 따라서 유기 태양전지라고 부르게 되는 겁니다 :)

유기 태양전지는 이러한 차이로 인해 무기 태양전지의 원리랑은 조금 다릅니다.
무기 태양전지, 흡 생 분 수 기억하시죠?

2022.10.04 - [반도체/Solar cell] - 1. 태양전지의 원리 (feat. 태양광 vs 태양열)

1. 태양전지의 원리 (feat. 태양광 vs 태양열)

설명드리기 전에, '엑시톤'이라는 심화 개념을 조금 이해를 하시고 넘어가셔야 하는데요,
유기 물질에서의 전자-정공 쌍을 엑시톤이라고 부른다고 넘어가시면 됩니다!

엑시톤은 '광전 효과'에 의해 '전자주개'에서 생성이 되어, 확산되면서 돌아다닙니다. 
전자 받개를 만나 바로 헤어지는 분리 현상이 일어나게 됩니다.(정확힌 '일함수'차이에 의해 분리됩니다.)

확산을 통해 전극으로 수집되게 됩니다.

즉, 빛을 흡수하여, 엑시톤이 생성되고, 엑시톤이 계면에서 분리되어 확산되었다가 전극으로 수집되어 전기가 흐르는 원리를 가지고 있습니다.

무기 태양전지는 '전계'를 이용하였기 때문에, 분리 후 확산 과정이 필요가 없었지요. 원동력을 제공해 주니까요..
하지만 유기 태양전지는 전계가 없기 때문에 확산 과정을 통해 천천히 전극으로 도달합니다.

아래 그림은 전자받개, 전자주개 그림 및 원리에 대한 정보가 좀 잘 나와 있습니다.

Azomethine‐based Donor Materials for Organic Solar Cells

그림을 보시면 좀 더 직관적으로 이해가 가능하실 거라고 생각합니다.
받개와 주개 물질이 이상하게 혼합되어 있는데, 이는 효율을 높이기 위해 경계면의 '표면적'을 넓힌 것입니다.

유기 태양전지 트랜드, 페로브스카이트 태양전지

페로브스카이트 유기 태양전지는 3세대 태양전지 중 가장 유망한 태양전지의 기술입니다.
우리나라에서 최고의 연구 성과를 내고 있는 분야이고요. (Nature 표지에 실린 논문이라니..)

최근 25.2%의 효율을 달성하여, Si 태양전지의 최고 효율 26% 대에 매우 근접한 수치까지 갔다고 합니다.
(너무 싼데, 효율까지 비슷하다고..?)