하이브리드 유기-무기 태양전지

하이브리드 태양전지는 반도체 폴리머와 콜로이드 반도체 나노결정의 혼합을 기반으로 한 것인데 공액 고분자의 높은 광 흡수와 나노 결정의 높은 전도도, 튜닝가능한 광학적 밴드갭과 높은 유전 상수(PbS: ε=17, PbSe: ε=23)을 결합할 수 있는 이머징 기술이다. 

태양전지 응용을 위해 연구 중인 많은 반도체 나노 결정 중에서 PbS 나노결정이 가장 각광 받고 있는 것 중 하나인데 높은 전자 이동도, 광흡수 영역이 넓고 안정성 좋기 때문이다. 

특히, PbS 지름에 대한 합성 제어는 근적외선광이 전기로 변화될 수 있도록하는 양자 구속 에너지 갭의 정밀한 튜닝을 할 수 있게 한다. 

더우기, 고품질의 PbS 나노 결정은 간단한 Schottky 접합 태양전지에 사용되었을 때 4%이상의 효율을 보인다. 

좁은 밴드갭 폴리머인 PDTPBT을 선택하고 증착 후 리간드 교환을 실행하여 넓은 범위에서 스펙트럼 응답을 보이는 type 2 이종접합을 실현했고 효율은 2%을 보였다. 

적절한 나노입자 크기를 선택하고 캐소드 증착전에 TiO2 중간층을 삽입함으로써 효율 3.7%에 도달했다. 

Prasad et al.은 폴리머와 나노입자사이의 에너지 준위 매칭의 중요성과 증착 후 리간드 교환 처리의 효력을 보여줬다. 

Piliego et al.은 PbS 나노결정과 좁은 밴드갭 폴리머 PDPPTPT으로 효율이 좋은 벌크 이종접합 태양전지를 실현시켰다(그림 4). 

PDPPTPT:PbS-OA(10:90 wt%) 혼합물의 박막층이 ITO 기판 위에 스핀 코팅법으로 증착되었다. 그런 후 리간드 교환 처리가 이루어졌다. 

광학적 측정으로 부터 이 구성은 type 2 이종접합을 형성한다는 것을 알 수 있고 Jsc 12.5 mA/cm2, Voc 0.47 V, FF 49%, 그리고 PCE 2.9%을 나타냈다. 

이 값은 전극 계면에서 중간층이 없다는 것을 고려하면 주목할 만하다. TiO2나 ZnO와 같은 박막 홀 차단 버퍼층을 활성층 위에 삽입하면 소자의 성능을 극적으로 향상시킬 수 있다. 

참고: modern plastic solar cells: materials, mechanisms and modeling, Ryan C. Chiechi, et al, Materials Today-Volume 16, Numbers 7/8* July/August 2013.