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 고성능의 소형, 반투명 분자 유기 태양 전지를 발표한다. 이 소자들은 ITO가 아닌, 금속 박막으로 top 컨택이 구성되었으며, 추가의 유기층이 빛의 outcoupling을 증가시키기 위해 사용되었다. 태양 전지는 도너:엑셉터 벌크 이종접합을 각각 포함하는 두 개의 적층 구조를 갖는다. 두 개의 서브쎌은 푸른색, 붉은색, 녹색을 흡수하는 분자들로 구성된 상호 보완적인 흡수층을 갖는다. 소자의 전력 변환 효율은 4.7-5.1 %, 가시광선 영역의 평균 투과도는 24 %로 평가됐다.
연구진은 엑셉터 풀러린 (C60)과 최근 개발된 두 도너 재료인, 녹색 흡수제 DCV6T와 붉은색 흡수제인 F4-ZnPc를 포함하는 투명한 SMOSC (Small Molecule Organic Solar Cells)의 최적화에 대한 연구내용이다. 모든 흡수제의 구조는 그림 1(a)와 같다. 적층구조의 소자는 그림 1(b)를 통해 알 수 있고 전력 변환 효율이 약 4.9 %에 이르고, 실제 소자의 그림은 그림 1(c)를 통해 볼 수 있다. 소자의 공정에 대한 자세한 사항은 다음 참고문헌에 묘사되어 있다.
- J. Meiss, K. Leo, M. K. Riede, C. Uhrich, W. -M. Gnehr, S. Sonntag, and M. Pfeiffer, Appl. Phys. Lett. 95, 213306 (2009).
n-C60dml 전자 전달 층 (ETL-Electron Transfer Layer)은 ITO와 유기층 사이에 ohmic 컨택을 위해 사용되었고, 첫번째 이종접합 (F4-ZnPc:C60)은 내부의 ETL과 정공 전달 층 (HTL) 사이에 통합되었다. 135 nm 두께의 p-doped 층은 소자내에서 갑섭 패턴을 최적화하기위한 광학 spacer로 사용되었다. 높은 도핑, 유기 pn 컨택은 두개의 서브쎌의 재결합 컨택 (RC-Recombination Contact)으로 사용되었다. 가장 위에 위치한 흡수체 블렌드 (DCV6T:C60)는 스펙트럼의 녹색과 푸른 부분을 덮게된다. 1 nm의 알루미늄과 21 nm의 은이 투명한 top 전극으로 사용되었고, 금속 전극 위에 90 nm 두께의 덮개층을 위해 Alq3가 태양전지밖의 광 outcoupling을 증가시키기 위해 사용되었다.
dopants를 제외한 모든 유기 재료는 진공 정제를 이용 적어도 두번씩 정제되었고, 높은 이온화 에너지를 갖기 떄문에 p-type dopant를 위해 일반적으로 사용되는 F4-TCNQ 혹은 WO3을 사용하는 대신 acridine orange에 기초한 n-dopant, NDP9과 NDN1이 공정성이 용이하여 사용되었다. 태양전지의 면적은 약 6.26 mm2이고 표준 전류밀도-전압은 AG1.5G 하에서 측정되었다. 실리콘 다이오드에 의해 모니터된 세기는 참고 다이오드를 사용해 영점 조절이 되었다. 외부 양자 효율 (EQE-External Quantum Efficiency)은 위의 참고 문헌에 묘사된 방법으로 측정되었다. 추가의 조명인가는 LEDs를 이용하였으며, 빛의 세기는 약 5mW/cm2 였다.
-측정 결과
그림 2는 조명 유무에 따른 전류밀도-전압의 관계를 보여준다. 소자는 61 %의 높은 fill factor (FF)를 보이고, 1.54 V의 개방회로 전압을 보인다. 개방회로 전압은 F4-ZnPc(0.7 V)와 DCV6T (0.88 V) 서브쎌의 합에서 기원된다. 이 소자에서 측정된 값은 두 쎌의 합과 매우 근사한 값을 갖고, 높은 FF와 결합되어 두 서브쎌 사이 컨택에서 매우 효율적인 재결합이 있음을 암시한다.
그림 3은 Lambda 900 UV/VIS/NIR 스펙트로미터를 이용하여 측정한 반서도 (R)와 투과도 (T)를 나타낸다. 가시광선 영역에서 평균 투과도는 24 %인 것으로 평가됐다. 데이터는 샘플에 어느부분을 측정하냐에 따라 반사도의 차이가 있음을 관찰하였다. 광학 특성과 광전류에 가장 결정적인 요소는 초박막 금속 top 컨택에서의 간섭현상이다. 빛이 bottom을 통해 비춰지면, 첫번째 pass 에서 흡수되지 않는 중요한 부분은 금속 top 컨택에서 반사되고, 흡수층을 통해 이는 두번째 pass를 야기시키고, 마이크로캐비티 효과에 의해 높은 광전류를 야기시킨다.
반대로, 소자가 top 으로부터 빛이 비취게되면, 입사파의 반사는 강하게 증가되고, top 컨택을 통과한 빛은 흡수 레이어를 통과해 단 한번의 pass만을 만들게 되고, 소자의 효율은 현저히 떨어지게 된다. 투과도는 조명의 방향과는 무관하지만, 흡수와 반사도는 큰 차이를 갖는것으로 관찰됐다. 두 서브쎌이 소자에 미치는 영향을 조사하기위해, 외부 양자 효율이 다른 세기의 빛과 함께 측정되었다. 측정 결과는 원문을 통해 자세히 볼 수 있다.
일반적으로 두께운 금속 레이어는 더 높은 광전류를 만든다. 만약 ITO bottom 전극을 통해 빛이 비취면 금속 back 전극에서 강한 반사에 의해, 흡수층내의 간섭현상은 더 증가하게 되고 광자 흡수도 증가한다. 그러나 동시에 투과도는 감소하여 반투명 응용소자의 최적화를 위해서는 장단점이 모두 존재한다. Alq3 덮개픙은 갑섭현상을 조절하기 위한 두번째 방법이된다. 연구진은 투명도와 효율 사이의 trade-off가 있는 높은 효율의 반투명 SMOSC를 구현하였다. 최적화된 다중층 금속 top 전극을 이용하고, 높은 내부 양자 효율을 얻기위해 도너 재료를 사용하였다.
출처 : http://apl.aip.org/resource/1/applab/v99/i4/p043301_s1
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