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/