MIT와 광주과학기술원의 연구진은 단일벽 탄소나노튜브를 사용했을 경우에 이 나노재료의 우수한 장점에도 불구하고 왜 더 효율적인 유기 광발전 장치를 만들 수 없는지에 대해서 조사했고, 결국 단일벽 탄소나노튜브 다발이 태양전지의 성능을 결정한다는 것을 발견했다.
이런 개념을 증명하기 위해서, 이번 연구진은 어셉터(acceptor)로서 길고 평행한 단일벽 탄소나노튜브를 사용하고 도너(donor)로서 P3HT를 사용해서 평판 이종접합(planar heterojunction, PHJ) 태양전지를 개발했다. 이전 연구에서 단일벽 탄소나노튜브 당 효율이 50배 향상되었다(ACS Nano 2010 4 6251). 단일벽 탄소나노튜브를 덮고 있는 P3HT 층의 두께를 조절함으로써, 이전 연구진은 최대 광전류가 ~60 nm까지 도달한다는 것을 발견했다. 이번 연구결과는 이 연구에 영감을 얻어서 이루어졌고, 저널 Nanotechnology에 게재되었다.
PHJ의 최대 효율은 10 nm 이하의 활성 물질에서 얻어졌는데, 이것은 대부분의 공액 폴리머(conjugated polymer)에서 여기 확산 길이의 값이다. 이것은 PHJ의 헤테로-계면에서 엑시톤(exciton)이 확산 길이보다 더 큰 거리에서 생성되면 광전류에 기여할 수 없을 것이라는 것을 보여준다.
논문 검색을 통해서, 이번 연구진은 이례적인 반응을 보여주기 위해서 P3HT 기반의 PHJ 장치에 다른 것이 추가되어야 한다는 것을 알게 되었다. 또 다른 설계 방법의 경우에 어셉터 물질로서 PCBM 분자를 이용했는데, 이때 P3HT 두께에 따라서 유사한 광전류 효과를 보인 것으로 보고되었다.
이번 연구진은 광학적 T-기질과 KMC(Kinetic Monte Carlo) 모델을 결합하여서 이 연구결과를 더 상세하게 조사하였다. 광학적 모델은 광자가 장치에 어떻게 흡수되는지를 평가하기 위해서 사용되었다. 반사 전극이 활성층 아래에 직접 위치하기 때문에 계면이 P3HT/단일벽 탄소나노튜브 장치에서보다 P3HT/PCBM 장치에서 훨씬 더 큰 역할을 한다는 것을 알게 되었다. 광자가 어디로 흡수되고 엑시톤이 어떻게 생성되는지를 알게 되면, KMC 시뮬레이션은 각 엑시톤의 경로를 추적할 수 있을 것이다.
엑시톤이 헤테로-계면에서만이 아니라 활성층의 벌크에서도 해리될 수 있다는 최근 실험 결과를 통해서, 이번 모델은 P3HT/단일벽 탄소나노튜브를 보다 잘 이해하는데 적용될 수 있을 것이다. 벌크 엑시톤 해리는 더 작은 P3HT 두께에서 더 확연하게 나타나는데, 이것은 P3HT 두께에 의해서 최대 광전류를 변화시킨다. P3HT/PCBM의 경우에, 이런 효과는 더 낮은 두께에서 생성되는 증가된 양의 광간섭(positive optical interference) 때문에 상쇄된다. 따라서 이 모델은 어닐링으로 인한 P3HT 속에 잘 섞여진 PCBM 분자에 의해서 최대 변화가 발생된다는 것을 보여준다.
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