벌크 헤테로접합 태양전지의 활성층에 나노 헤테로구조를 도입하면 소자 성능을 크게 개선할 수 있습니다. 본 연구에서는 카드뮴 또는 안티모니 잔테이트 전구체를 폴리머 용액에 첨가하여 P3HT:PC₆₁BM 블렌드 내에서 CdS 또는 Sb₂S₃ 나노결정을 인시투(in-situ) 생성하는 방법을 보고합니다. 열 어닐링 시 전구체가 분해되어 균일하게 분산된 나노결정이 형성되며, 이는 폴리머-나노결정 간 밀착 계면을 만들어 광흡수, 정공 이동도, 표면 거칠기를 향상시킵니다. 3 wt% CdS 또는 Sb₂S₃ 도핑 시 역구조 하이브리드 태양전지의 전력 변환 효율(PCE)이 각각 2.91%, 2.92%로, 기존 P3HT:PC₆₁BM 셀(2.34%)을 크게 상회했습니다. UV-Vis, SCLC, AFM 분석을 통해 나노결정이 전하 수송과 형태학적 이점을 제공함을 확인했으며, 인시투 합성법이 고효율 하이브리드 태양전지 구현에 효과적임을 입증했습니다.
유기 태양전지(OPV)는 경량, 저비용, 유연성이 장점이나 전하 이동도가 낮습니다. 무기 반도체는 높은 전하 이동도와 화학적 안정성을 가집니다. 이 둘을 결합한 하이브리드 태양전지(HSC)는 양쪽의 장점을 취하려는 시도입니다. 기존 방식은 리간드로 캡핑된 무기 나노결정을 폴리머 매트릭스에 혼합하지만, 긴 사슬 리간드가 절연 장벽 역할을 하고 공용매 사용이 폴리머 사슬 배열을 교란해 전하 수송과 효율을 제한합니다. 반면, 폴리머 박막 내에서 무기 나노입자를 인시투 합성하면 계면활성제와 공용매가 필요 없어 밀착 혼합과 효율적인 광유도 전하 수송이 가능합니다.
CdS, Sb₂S₃ 같은 금속 황화물 나노결정이 P3HT:PC₆₁BM 블렌드에서 전자 캐스케이드나 도펀트 역할을 해 전하 추출과 광흡수를 개선할 수 있음이 선행 연구로 밝혀졌으나, 폴리머 형태를 해치지 않으면서 최적 나노결정 로딩을 달성하는 것은 여전히 과제였습니다.
패턴된 ITO/유리기판(10~15 Ω/□) 위에 100 mg/mL 클로로벤젠 용액의 카드뮴 잔테이트를 스핀코팅하고 160°C에서 15분 질소 분위기 어닐링하여 10 nm CdS 계면층을 형성했습니다. 활성층은 1:1 P3HT:PC₆₁BM(17 mg/mL)에 3 wt%(또는 0, 5, 7 wt%) 잔테이트 전구체를 블렌딩해 600 rpm으로 스핀코팅 후 160°C에서 30분 어닐링해 CdS 또는 Sb₂S₃ 나노결정을 생성했습니다. 8 nm MoO₃ 정공 수송층과 100 nm Ag 양극을 섀도 마스크로 열증착해 0.10 cm² 활성 영역을 정의했습니다.
TGA 분석 결과 카드뮴 잔테이트는 50~150°C에서 분해되어 ~25% 잔류물(CdS 이론값 28%과 일치), 안티모니 잔테이트는 120~160°C에서 분해되어 ~35% 잔류물(Sb₂S₃ 이론값 35%과 일치)을 보였습니다. 이를 바탕으로 어닐링 조건을 설정해 완전한 전구체 전환을 유도했습니다.
어닐링 후 활성층은 CdS(노란색) 또는 Sb₂S₃(주황색) 발색을 보였습니다. XRD에서 육방/입방 CdS와 정방정계 Sb₂S₃ 상이 확인되어 TGA 결과와 일치했습니다. AFM 결과 표면 거칠기가 순수 블렌드 2.82 nm에서 3 wt% CdS 8.89 nm, 3 wt% Sb₂S₃ 7.13 nm로 증가해 나노결정에 의한 형태학적 변화가 계면 혼입과 엑시톤 분리를 촉진함을 시사했습니다.
J-V 곡선 분석 결과 3 wt% CdS 또는 Sb₂S₃ 첨가 시 단락 전류 밀도(Jsc)가 7.77 mA/cm²에서 각각 8.72 mA/cm²(CdS), 9.15 mA/cm²(Sb₂S₃)로 증가했습니다. 직렬 저항은 22.15 Ω·cm²에서 16.70 Ω·cm²(CdS), 17.50 Ω·cm²(Sb₂S₃)로 감소해 필 팩터(FF)가 0.52에서 0.56(CdS), 0.54(Sb₂S₃)로 개선되었습니다. 그 결과 PCE가 각각 2.91%(CdS), 2.92%(Sb₂S₃)로 최고치를 기록하며 대조군(2.34%)과 기존 보고된 CdS 도핑 P3HT:PC₆₁BM 셀을 능가했습니다.
IPCE 스펙트럼에서 나노결정 도핑 소자가 300~650 nm 전역에서 더 높은 양자 효율을 보였습니다. 540 nm에서 IPCE 피크는 순수 블렌드 55% 대비 CdS 60%, Sb₂S₃ 65%로 향상되었습니다. UV-Vis 흡수 스펙트럼은 CdS에서 완만한 증가, Sb₂S₃에서 뚜렷한 증가를 보여 Jsc 향상과 상관관계를 보였습니다.
SCLC 측정 결과 정공 이동도가 순수 블렌드 4.09×10⁻⁵ cm²/V·s에서 CdS 1.53×10⁻⁴ cm²/V·s, Sb₂S₃ 1.69×10⁻⁴ cm²/V·s로 약 4배 증가했습니다. 향상된 정공 수송이 P3HT:PC₆₁BM의 본질적으로 높은 전자 이동도와 균형을 이루어 재결합을 억제하고 Jsc와 FF를 높였습니다.
AFM 이미지에서 3 wt% 나노결정 층의 거칠기 증가가 확인되어 MoO₃ 정공 수송층과의 접촉 개선과 전하 추출 향상에 기여했습니다. 증가된 계면적은 Jsc와 FF 향상의 원인이 되었습니다.
P3HT:PC₆₁BM 매트릭스 내에서 CdS 또는 Sb₂S₃ 나노결정을 인시투 합성하여 3 wt% 도핑을 달성함으로써 광흡수, 정공 이동도, 표면 거칠기 등 핵심 인자를 크게 향상시켰고, 역구조 HSC에서 보고된 최고 수준인 2.91%(CdS), 2.92%(Sb₂S₃)의 PCE를 얻었습니다. 이 리간드-프리, 솔벤트-프리 접근법은 고효율 하이브리드 광전소자의 확장 가능한 경로를 제시합니다.
나노물질
초록 산화물/금속/산화물(OMO) 다층 구조는 박막 태양전지 전면 전극으로 투명 전도성 산화물(TCO)을 대체합니다. 이 다층 구조는 전체 전극 두께를 줄일 뿐만 아니라 간섭 효과를 이용해 셀 색상 구현도 가능합니다. 그러나 시트 저항과 기생 흡수는 금속 층에 크게 의존하므로 태양전지 고효율 달성을 위해 추가 감소가 필요합니다. 본 논문에서는 Cu(In,Ga)Se₂(CIGS) 박막 태양전지 성능 향상을 위해 OMO 전극에 AgOₓ 웨팅 층을 적용했습니다. AgOₓ 웨팅 층이 다층 전극 투과율과 전도성을 높이는 효과적 수단임을 보였습
초록 큰 일함수 덕분에 MoOₓ는 박막 및 결정질 실리콘 태양전지 모두에서 정공 선택적 접촉으로 널리 사용되어 왔습니다. 본 연구에서는 열증착 MoOₓ 박막을 p형 결정질 실리콘(p-Si) 태양전지 후면 측에 적용하여, 후속 어닐링 처리에 따른 MoOₓ 박막의 광학 및 전자 특성 그리고 해당 소자 성능을 조사했습니다. 100°C에서 어닐링된 MoOₓ 박막이 가장 높은 일함수를 보이며, 에너지 밴드 시뮬레이션과 접촉 저항률 측정 결과 최고의 정공 선택성을 입증했습니다. 전체 후면 p-Si/MoOₓ/Ag 접촉 태양전지는 19.19% 효
