태양전지의 새로운 기하학적 디자인

그림 1 (a) folded 태양전지의 소자 아키텍처 개략도. 각 면 위의 두 셀이 같은 활성층 또는 다른 활성층으로 이루어져 있다. (b) 활성층 두께에 대한 접는 각도 함수로서 활성층 APFO3:PCBM에서의 energy dissipation. 가장 큰 광흡수는 두꺼운 셀에서 얻어지지만 얇은 셀일 때 광흡수는 접는 각도에 더 영향을 받는다. (c) 평면 셀 대비 folded 셀의 energy dissipation. 

V 자형 기하학 구조를 이용한 folded 태양전지가 있는데 플라스틱 기판에서 쉽게 구현된다. 이러한 V 모양 기학학 구조에서 광트랩핑은 반사광을 반사키켜 여러번 튀겨 이루어진다. 가장 큰 향상은 흡수가 최소로 일어나는 파장과 활성층의 흡수 에지와 가까운 파장에서 일어난다. 

V 형상 각 면 위의 두 셀은 같은 활성층 또는 다른 활성층 물질에 기반할 수 있다. 다른 활성층 물질을 사용하면 탠덤 셀 기반 모듈 조립을 할 수 있어 성능을 2배로 올릴 수 있다. 

직관적으로 광트랩핑 효과는 활성층의 두께와 접는 각도에 의존한다. 태양전지의 광흡수율은 접는 각도가 낮을 수록 내부 반사 횟수가 증가하여 급격히 커진다.

비록 V 형상 셀의 결함이 많지만 최근 이 구조가 적용된 PCDTBT:PC71BM 기반 태양전지의 효율이 5.3%에서 7.2%로 향상되었다.  

V 형상 유기 태양전지를 만들기 위해 접는 방식이 아니라 기판을 사전에 구조화하는 방식이 있다. 광학적으로 마이크로 프리즘 기판위에 제조된 태양전지는 folded 태양전지와 비슷하다.

접힌 각도가 최적화 되지 않아도 스핀 코팅된 활성층이 있는 마이크로 프리즘 기반 태양전지에서 광흡수는 평면 셀에 비해 1.5배 정도 더 크다. 하지만 이 연구에서 구조화된 기판 골(valley)에 쌓인 너무 두꺼운 활성층에서 재결합 손실에 의한 효율 감소가 일어났다.

 이를 개선하기 위해 스핀 코팅 대신 저분자를 진공 증착이 연구되고 있다. 

참고: Light trapping in thin film organic solar cells, Zheng Tang, et al. Material Today・Volume 17, Number 8・October 2014