유기 태양전지 성능 향상을 위한 플라즈모닉 나노입자 전략 설계

초록

플라즈모닉 금속 나노입자를 유기 태양전지에 결합하여 광흡수와 캐리어 수집 간 트레이드오프 극복. 나노입자는 보통 활성층 내부 또는 외부에 위치. 그러나 나노입자가 활성층 내부/외부 위치 시 광흡수 차이 상세 비교 보고된 바 없음. 본 논문에서는 유기 태양전지에서 Ag 나노구체가 활성층 내부/외부 위치할 때 광포집 능력 비교. 활성층 외부에 위치 시 큰 크기 나노입자 선호, 활성층 내부에 매립 시 작은 크기 나노입자 선호됨 보임.

배경

유기 태양전지(OSC)는 경량, 저비용, 저온 공정, 반투명, 기계적 유연성 등 장점으로 기존 무기 태양전지 대체 비용 효율적 태양광 발전 후보. 최근 단일 접합 소자 10% 이상 전력 변환 효율(PCE) 달성, Si, GaAs와 직접 경쟁. 단일 접합 지상용 OSC 11.2±0.3% 효율(AM1.5G, 1000 W/m², 25 °C) [2]. 폴리머 기반 용액 공정 탠덤 태양전지 10.6% 인증 효율 [3]. 신규 폴리머 주개체(PBDB-T-SF), 소분자 받개체(IT-4F) 풀러렌 프리 OSC 13.1% PCE [4]. 삼원계 OSC 14% PCE 보고 [5]. 효율 10% 돌파했으나 전체 시장 Si 태양전지와 경쟁 미성숙. OSC 핵심 과제 산업 제조 공정 하 10% 이상 효율 향상. 유기 분자 고유 저하전하 이동도, 엑시톤 확산 특성으로 OSC 두께 제한, 광흡수 억제. 광흡수-캐리어 수집 트레이드오프 극복 위해 양자점 태양전지 [6-9], 나노와이어 태양전지 [10, 11], 플라즈모닉 태양전지 [6, 12, 13] 등 광포집 기법 제안. 플라즈모닉 태양전지 캐리어 수집 효율 유지하며 광수확 증대 실용적 방법 [14]. 귀금속 나노입자(NP) 태양전지 내 포함 시 국소 표면 플라즈몬 공진(LSPR) 강전계, 원거리 산란, 도파로 결합으로 경로 길이 증가, 효율 향상 [15]. 예: 플라즈모닉 강화 무기 태양전지 시뮬레이션 10-100 nm 활성층 개념 실증 [12, 16-18].

주류 OSC 설계에서 플라즈모닉 금속 NP 활성층 외부/내부 위치. 활성층 내 금속 NP 매립은 LSPR 강전계 이용, 활성층 내 효율적 광산란. 활성층 외부 NP 도입은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)(PEDOT:PSS) 버퍼층 내 NP 결합으로 구현. 그러나 이 두 구조 플라즈모닉 NP 영향 구별 비교 없음. 본 논문에서 활성층 내부/외부 NP 광포집 능력 비교. NP 플라즈몬 강화 OSC 설계 원칙 제공.

방법

모든 시뮬레이션 유한차분 시간영역(FDTD) 법으로 맥스웰 방정식 풀이. 산란 단면적 시뮬레이션 시 300-700 nm 파장 범위 총장 산란장(TFSF) 소스 NP 포함 박스에 주입. Ag 선택: 플라즈몬 공진 P3HT:PCBM 흡수 스펙트럼 잘 맞음 [19, 20]. 음극 Al 재료 [21] 참조. ITO, Ag 복소 굴절률(n, k) [21, 22] 피팅. PEDOT:PSS, P3HT:PCBM 블렌드 n, k [23, 24] 피팅, 그림 1a, b 재도식. ITO, PEDOT:PSS, P3HT:PCBM 두께 각 100, 40, 200 nm. 시뮬레이션 PEDOT:PSS 버퍼층, P3HT:PCBM 활성층 [14, 24]. 정규화 산란/흡수 단면적 Q_scat/Q_abs = 산란/흡수 단면적 ÷ NP 기하 단면적. 기판 산란 광 비율 f_sub = 기판 방향 산란 전력 ÷ 총 산란 전력. Ag NP 크기별 오버라이드 메시 설정: 소형(5, 10 nm) dx=dy=dz=0.1 nm, 중형(20, 40 nm) 0.5 nm, 대형(60, 80 nm) 1 nm, 타 영역 자동 메시 생성. 문헌 실험 작업 [25, 26] 기반 소형(5, 10 nm), 중형(20, 40 nm), 대형(60, 80 nm) NP 정의. 메시 크기 감소, PML 파라미터 설정 결과 수렴까지.

FDTD 시뮬레이션 PEDOT:PSS (a) 및 P3HT:PCBM (b) 복소 굴절률 n, 소멸 계수 k

결과 및 토의

그림 2a, b: Ag NP 활성층 내부/외부 위치 구조. 실제 제조 PEDOT:PSS ~50 nm, 활성층 ~200 nm. 시뮬레이션 40, 200 nm 설정. 활성층 내 NP 시 균질 물질 내 위치 결과 영향 없음. 활성층 외부 NP 시 많은 논문 PEDOT:PSS 완전 매립 NP 사용, 일부 큰 NP PEDOT:PSS 두께 초과 사용 [27, 28]. 실험 제조 적용 가능. ITO, PEDOT:PSS(400-800 nm) n ~2.1-1.6, ~1.55-1.45, 차이 미미. 흡수/산란 단면적 근사 이론 [15]로 PEDOT:PSS 완전/부분 매립 NP 단면적 차이 미미. NP가 PEDOT:PSS, 활성층 두께 초과 시 계산 결과 약간 영향. NP 플라즈모닉 광포집 역할 구조에 도시. 두 구조 광포집 요구사항 상이. 그림 2a: NP 활성층 외부 위치 시 근전계 증강 하부만 흡수 증대 기여, 제한적 영향. 직경 증가 시 큰 NP 근전계 더 먼 거리 관통, NP 표면서 멀어짐 [29]. 직경 증가 시 미 이론 따라 산란 효과 강해짐. 따라서 NP 활성층 외부 시 근전계 증강 고려 불필요. 그러나 활성층 내 NP 근전계 증강 혜택, 유효 흡수 단면적 증가, 엑시톤 해리 증진(그림 2b).

a 활성층 외부 NP, b 활성층 내부 NP 산란 및 근전계 증광 통한 광포집 도식

활성층 외부에 위치한 NPs

플라즈모닉 NP 기반 OSC 광흡수 향상 관찰되나, 활성층 내 베어 금속 NP 쌍극자-쌍극자, 전하 트랩 결합으로 금속 표면 부근 전하 재결합, 엑시톤 소광 유발 [12, 30]. 크기 증가 시 재결합, 엑시톤 소광 심각 [31, 32]. 엑시톤 소광, 전하 트랩 억제 위해 세 가지 방안: 금속 NP 얇은 유전체 층 코팅 [12, 30], 액체 내 레이저 에블레이션 NP 형성 [33], NP 활성층 외부 배치 [14, 28]. 위 논의대로 NP 활성층 외부 시 산란 특성 광포집 핵심. NP 직경별 기판 산란 광 비율 f_sub 비교(그림 3a). NP 크기 증가 따라 f_sub 경향 증가, Si 표면 Ag NP 계산 [17]과 불일치. 그림 3a ~550 nm 뚜렷한 딥, 많은 빛 후방 산란 낭비. 그러나 NP 크기별 f_sub 값 달라 산란 기여 판단 어려움. 총 Q_scat, 기판 산란 Q_scat 플롯(그림 3b). 크기 증가 시 대형 NP 총 Q_scat 중형, 소형 NP 초과 광대역 스펙트럼 큰 값. 큰 산란 Q_scat 대형 NP 효과적 서브파장 산란 요소로 태양광 활성층 결합 포집, 광학 경로 길이 증대 [16].

a 활성층 산란 광 비율. b 총 산란 단면적(실선), 기판 산란 단면적(점선), 모두 기하 단면적 정규화

OSC Al 음극 접촉 역할 외 거울 역할, 활성층 내 빛 경로 길이 연장. Al 음극 존재 시 산란 특성 추가 조사. 시뮬레이션 150 nm Al 활성층 접촉. 그림 4 다양한 NP f_sub. 그림 4a Al 거울 도입 후 f_sub 현저 개선. 그러나 NP Q_scat 약간 영향(그림 4b). Al 거울 유무 무관 대형 NP 큰 산란 단면적, 많은 빛 기판 산란. 따라서 광학 시뮬레이션 관점 활성층 외부 NP 대형 선호.

a Al 음극 존재 시 활성층 산란 광 비율. b Al 음극 존재 시 총 산란 단면적(실선), 기판 산란 단면적(점선), 모두 기하 단면적 정규화

활성층 내부에 위치한 NPs

NP 활성층 매트릭스 내 위치 시 원거리 산란, 근전계 증강 동시 영향. 준정적 한계 크기 NP 산란/흡수 단면적 식 1 해석 [15]:

$$ {\sigma}_{\mathrm{sca}}=\frac{1}{6\pi }{\left(\frac{2\pi }{\lambda}\right)}^4{\left|{\alpha}_{\mathrm{sp}}\right|}^2,\cdot {\sigma}_{\mathrm{abs}}=\frac{2\pi }{\lambda}\mathit{\operatorname{Im}}\left[{\alpha}_{\mathrm{sp}}\right] \tag{1} $$

α_sp 구 극성율:

$$ {\alpha}_{\mathrm{s}\mathrm{p}}=4\uppi {r}^3\frac{\varepsilon_{\mathrm{m}}-{\varepsilon}_{\mathrm{s}}}{\varepsilon_{\mathrm{m}}+2{\varepsilon}_{\mathrm{s}}} \tag{2} $$

ε_m, ε_s 주변 물질, 구체 유전율. NP 외부 시 유전 환경 복잡, 균질 환경 근사 계산 [15]. Q_scat, Q_abs 그림 5a, b. 활성층 매립 NP 직경 5-10 nm 범위 흡수 지배. 플라즈몬 근전계 활성층 결합, 흡수 단면적 증가, 엑시톤 해리 향상. 그러나 Q_scat 활성층 외부 NP보다 훨씬 낮음. 산란 효율 Q_sc = Q_scat/(Q_scat+Q_abs) 그림 5c로 산란/흡수 우세 평가. 모든 NP Q_scat ≤ 0.5, 300-700 nm 흡수 우세. 따라서 균질 매트릭스 매립 시 산란 단면적보다 흡수 단면적 증대 중요. 그림 6 활성층 흡수 스펙트럼 NP 결합. 소형 NP 뚜렷 흡수 향상, 크기 증가 시 흡수 스펙트럼 악화. 대형 NP 산란 광흡수 증대 가능하나 증가 산란 감소 흡수 보상 못 함(그림 5a, b). 전기적 고려: 소형 NP 증가 Q_abs 엑시톤 해리 개선 활용, 대형 NP 재결합, 엑시톤 소광 유발 [25]. 크기 증가 시 재결합, 엑시톤 소광 심각 [31]. 따라서 활성층 피복 시 소형 NP 선호.

균질 활성층 내 다양한 크기 NP 정규화 산란 단면적 (a), 흡수 단면적 (b), 산란 효율 (c)

Al 음극 활성층 접촉 시 다양한 크기 NP 활성층 흡수 컬러 맵

결론

활성층 내부/외부 Ag NP 광포집 능력 조사. NP 활성층 외부 시 활성층 산란 광 비율 중요. 대형 NP 큰 산란 단면적, 광활성층 하부 선호 산란. 반면 NP 균질 활성층 매립 시 흡수 단면적 필수. 소형 NP 큰 흡수 단면적으로 OSC 광흡수 증대. 본 연구 결과 비용 효율적 OSC 소자 길 열릴 것, 타 활성 물질 OSC 시스템에도 적용 가능 기대.

약어

FDTD:

유한차분 시간영역

ITO:

인듐 주석 산화물

LSPR:

국소 표면 플라즈몬 공진

NPs:

나노입자

OSCs:

유기 태양전지

P3HT:

폴리(3-헥실티오펜)

PCBM:

[6,6]-페닐-C61-부틸산 메틸 에스테르

PCE:

전력 변환 효율

PEDOT:PSS:

폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)

PML:

완전 매칭 층

PVs:

태양광 발전

TFSF:

총장 산란장