폴리머-플러렌 벌크 이종접합 태양전지 - I-V 곡선 특성

태양전지용 유기 반도체는 단결정도 물론 있지만 대부분 무질서한 비정질 또는 다결정이다. 무질서는 쉽고 값싼 공정을 의미한다; 유기 반도체는 저온 열증발, 또는 용액을 프린팅 또는 스핀 코팅함으로써 형성된다. 

하지만 이 무질서는 전하 수송에는 좋지 않아 소자의 효율을 떨어뜨린다. 그렇다고 낮은 전하 이동도가 유기 태양전지의 효율을 제한하는 주요한 인자는 아니다. 

벌크 이종 접합 유기 태양전지는 무질서한 유기 반도체 내의 짧은 엑시톤 확산 거리와 충분한 광흡수를 고려한 구조이며 도너와 업셉터의 계면은 평면이 아니라 공간적으로 분산되어 있다. 

이 태양전지는 셀 전체에 걸쳐 엑시톤 분리를 매우 효과적으로 할 수 있는 것이 장점이지만 증가된 무질서로 인해 엑시톤을 떼어 놓은 것은 여전히 어렵다. 

모폴로지는 효율 향상에 중요한 역할을 한다. 용매 선택, 어닐링, 상분리 최적화를 위한 첨가제, 그리고 coevaporation을 통해 효과적인 엑시톤 분리와 전하 수송 능력이 향상되기 때문이다.  

(그림 2. 벌크 이종접합 태양전지의 (a) 선형과 (b) 세미 로그의 I-V 특성 계략도. 유기 태양전지 소자에서 광전류는 보통 일정하지 않고 전압에 의존적이다. 그래서 광전류는 필연적으로 Jsc 조건에서 포화되지 않고 음의 전압 바이어스에서 포화된다. 이것은 FF와 결국 효율을 떨어뜨린다. 따라서 Shockley diode 방정식이 유기 태양전지에 적용될 때 직렬 저항과 병렬 저항은 전압 의존적이여한다.)

유기 태양전지도 무기 태양전지와 같이 I-V 특성을 얻기 위해 유명한 Shockley diode 방정식을 이용한다. 

이상적인 Shockley 방정식에 두 저항(직렬 저항, 병렬 저항)을 추가한다. 직렬 저항은 접촉 저항인 injection barrier와 면저항을 나타낸다. 병렬 저항은 diode를 피해 흐르는 추가 전류 경로인 두 전극 사이의 지역적 선트를 대변한다. 

유기 태양전지에서 광전류 특성이 전압에 의존하는 이유는 엑시톤이 전자와 홀로 분리되어 추출되기 때문이다. 이것으로 병렬 저항이 전압에 의존적이라는 것을 명백히 알 수 있다. 

직렬 저항의 경우 유기 반도체가 무기 반도체 비해 전도도가 낮기 때문에 전압에 부분적으로 의존한다. 고전압에서 공간 전하가 형성되면 공간 전하가 전류를 제한시켜 버린다.

참고: Polymer-Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Carsten Beibel, Vladimir Dyakonov, Rep. Prog. Phys. 73, 096401 (2010)