Design of asymmetrically textured structures and tandem devices for efficient absorption of organic solar cells

Abstract

유기 태양전지의 비교적 낮은 광 변환 효율은 얇은 광 활성층의 두께로 인한 낮은 광 흡수에 기인한다. 이를 극복하기 위해서 다양한 빛 가둠 기술들이 개발 되어왔다. 그 중 최근에 연구된 1-D V-groove 텍스쳐링은 1년 동안 태양의 위치 변화를 고려한 기하학적 구조의 최적화를 통해 1년 내내 높은 흡수의 증가를 얻을 수 있게 설계되었다. 하지만 V-groove 구조 역시 유기 태양전지가 설치된 곳의 위도만큼 기울여 설치하였을 때만 일년 내내 효과적인 흡수 증가를 얻을 수 있었다. V-groove 구조를 건물의 벽면이나 지붕에 설치하는 건물 일체형 태양광 발전(BIPV)에 적용했을 때에는 입사각이 $\pm 23.5^\circ$ 를 벗어나게 되어서 효과적인 흡수 증가를 얻을 수가 없는데 이 연구에서는 V-groove 구조의 이러한 한계를 극복하기 위해서 $\pm 23.5^\circ$ 를 벗어난 큰 입사각 영역의 빛에 대해서 최적화된 빛 가둠 구조를 설계하였다. 한 쪽 면이 수직면으로 이루어진 비대칭 텍스쳐링 구조를 이용하면 큰 입사각 영역에서도 빛 가둠을 얻을 수 있었고 각각의 입사각 범위에 대해서 효과적인 빛 가둠 구조를 설계하였다. 설계한 구조를 사용해 큰 입사각에 대해서도 빛 가둠 효과를 얻을 수 있음을 시뮬레이션과 실제 소자에 적용을 통해서 확인하였다. 또한 적층형 유기 태양전지의 광흡수 증가를 위해서 재결합층으로 은 박막을 사용함으로써 적층형 태양전지에 마이크로 캐비티 구조를 형성하였다. P 타입 도펀트로 도핑된 MeO-TPD 층을 광 스페이서로 사용하여서 비교적 얇은 광활성층 두께를 가지는 단분자 기반의 유기 태양전지에 대해서도 큰 전기적, 광학적 손실이 없이 마이크로 캐비티를 효과적으로 조절할 수 있었다. 캐비티 모드의 조정을 통해서 적층형 구조의 위층 셀과 아래층 셀의 광 흡수를 효과적으로 조절하여 도핑된 층을 재결합층으로 사용하는 구조에 비해서 9.5% 높은 단락 전류를 얻을 수 있음을 시뮬레이션을 통해서 확인하였다.