Cascade 유기 태양전지의 기록적인 전압 손실 감소

유기 태양전지(Organic Solar Cells, OSCs)의 반투명 특성은 빌딩의 스마트 창으로 응용을 가능케 한다. 이는 자발적인 에너지 생산 빌딩 구축에 효과적인다. 

일반적인 OSCs는 전자 도너와 전자 업셉터 역할을 하는, 상용 p-n 접합 태양전지와 대략 동등한, 2개의 강한 광활성 물질인 구성되어 있다. 

  OSCs가 광을 흡수하면 전자와 홀의 결합 쌍인 exiton이 생성되고, 도너와 업셉터 사이 계면에서 자유 전하 캐리어가 분리된다.

현재까지 OSCs의 효율은 13% 정도인데 상용 Si 태양전지에 비해 한참 모자란다. OSCs 효율 제한에 가장 큰 인자는 흡수된 포톤 에너지와 전압 사이의 변환이 나쁜 것에 관계가 있다. 

태양전지는 태양전지의 광학 밴드갭 보다 큰 에너지를 갖는 포톤을 일반적으로 흡수하고, 이상적으로는, 흡수된 포톤 에너지는 개방 전압으로 완전히 변환된다; 개방 전압은 소자로 부터 뽑아낼 수 있는 최대 전압이다. 하지만 이는 열역학적으로 불가능하고 과도한 자유 전하 캐리어 재결합에 의해 Voc를 훨씬 낮은 값으로 떨어뜨린다. 

OSCs는 높은 전하 캐리어 재결합비로 인해 Eg와 Voc 사이의 오프셋은 0.8~0.9V로 높다. 이 심한 전압 손실은 OSCs 효율을 30~40% 감소시킨다.   

TU Dresden의 연구자들이 OSCs 소자 아키텍처를 엔지니어링하여 자유 전하 캐리어 재결합을 현저히 감소시켰다.

그들의 OSCs 아키텍처는 도너와 업셉터 사이에 제3의 물질을 끼워 넣어 cascade 구조를 만든 것인데, 두 물질 사이의 계면의 물리적 컨텍을 줄여 자유 전하 캐리어 재결합을 줄일 수 있었다. 

아이디어는 간단하다: 전하가 발생하는 도너와 업셉터 계면은 태양전지 내에 있고, 광생성 자유 전하 캐리어가 만나고 재결합이 동시에 있을 수 있다. 따라서 계면을 감소하면 재결합 확률 또한 줄어들 것이다. 

연구자들은 일련의 중간층 물질, 제 3의 물질, 을 조사했고, Voc와 PCE가 증가하는 것을 시연했다. Cascade OSC를 위해 저분자 유기 분자 alpa-sexithiophene, chloroboron subnaphtalocyanie, 그리고 chloroboron subphtalocyanine을 광활성 물질로 적용하여 Voc를 0.98V에서 1.16V로 0.18V 증가시켰다. 이 인상적인 향상은 비방사 재결합의 감소에 기인하고 전기발광의 양자 효율이 상당히 향상된 것을 암시한다. 

더우기, 전압 최적화는 포톤-전자 변환 효율과 결합되어야 한다. 포톤-전자 변환 효율은 태양전지의 흡수 스텍트럼 에지의 고전류 기여 포톤에 일때 79%로 높기 때문이다. 

평가된 태양전지의 전체 전압 손실은, Eg - Voc 오프셋, 0.58V로써 보고된 OSCs에서 가장 낮고 전하 분리를 위한 최소 driving force가 10mV 보다 낮다는 것을 알 수 있다. 

참고: https://sciencetrends.com/record-low-voltage-losses-efficient-cascade-organic-solar-cells/