효과적인 3중 접합 유기 태양전지 디자인이 효율 기록을 세우다

Yang Yang 그룹(UCLA)은 3중 접합 유기 태양전지로 11.5%의 효율을 얻었다. 

유기 태양전지는 일반적으로 도너와 업셉터 물질로 만들어진다. 업셉터 물질은 청색을 흡수하는 플러렌 분자이고 도너 물질은 태양광 스펙트럼을 가능한 많이 흡수하는 폴리머 물질이다. 

하지만 대부분의 유기 반도체는 단지 작은 광 대역폭을 갖는다. 결과적으로 그러한 물질에 기반한 태양전지는 태양광 스펙트럼의 단지 작은 부분만 흡수한다. 

이 문제는 적절하게 설계된 적층 또는 텐덤 구성으로 극복될 수 있다. 여러 유기 물질 각각이 태양광 스펙트럼의 다른 부분을 흡수할 수 있게 튜닝하여 소자의 효율을 향상시키는 것이다. 높은 밴드갭 물질은 단파장 광을 흡수하고 장파장 광은 투과되어 아래 반도체에 의해 흡수된다. 

3-5족 화합물 반도체 다중접합 태양전지는 넓은 밴드갭(2.0~1.85 eV), 중간 밴드갭(1.4~1.2 eV), 낮은 밴드갭(1.0~0.7 eV) 흡수체를 사용한다. 이것은 3중 접합 셀에서 고 전류를 얻기 위한 최적의 구성이다. 

유기 태양전지는 위의 구성을 활용할 수 없는데 그 이유는 밴드갭 1 eV 만큼 낮은 효과적인 도너 물질이 부족하기 때문이다. 그래서 밴드갭 에너지의 실제적인 조합을 설정하는 것이 중요하다. 

그들은 전자 도너로써 서로 다른 밴드갭(1.9, 1.58, 1.4 eV)의 3 물질과 플러렌 파생물을 혼합했다. 이 에너지 밴드 배열로 3중 접합 유기 태양전지를 제조하여 11.5%의 효율을 얻었다. 

특유의 3중 접합 태양전지에서의 문제점은 각 서브셀 간의 복잡한 광 간섭 효과이다. 그래서 각 서브 셀의 흡수층의 두께를 최적화하여 광전류 매칭이 쉽지 않다. 

그들은 이 문제를 해결하기 위해 광학 시뮬레이션을 했다. 결과로써, 완전히 용액 공정으로 만들어 지는 WO3/PEDOT:PSS/ZnO로 이루어진 상호 연결 구조가 유기 태양전지의 특성이 변화지 않는 직교 공정(orthogonal processing)의 장점을 준다는 것을 알았다. 

참고: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=36745.php