유기 태양 전지 (OSCs)의 표면 나노 패터닝

 - 유기 박막 태양 전지 (OSCs)는 가볍고 유연하며 저렴하여 차세대 태양전지로 주목 받고있습니다. 그러나 기존의 실리콘 태양전지에 비해 OSC의 효율은 상대적으로 낮고 주요 전기 생산원으로 적용하기에 적합하지 않습니다. OSC의 활성층 내부는 도너-억셉터 물질이 계면을 생성하고 있습니다. 이러한 도너-억셉터 계면에서 전자와 정공이 분리되며 전자가 추출되고 이는 광전류 변환 효율에 중요한 요소가 됩니다. 더 높은 광전류 변환 효율을 달성하기 위해 벌크 이종접합 방식이 사용되었지만 광생성 여기자의 짧은 확산 길이(일반적으로 20nm 미만)는 활성층 두께를 제한합니다. 이러한 한계로 인해 낮은 광 흡수와 OSC에 심각한 결함을 초래하여 낮은 광전류를 생성합니다. 반면에 활성층의 두께가 증가하면 광흡수는 증가하지만 전하 캐리어의 재결합이 증가하여 성능이 저하되어 활성층 두께와 확산길이는 상호보완적 관계입니다.

 

 - 활성층 두께를 증가시키지 않으면서 OSC 장치의 광 흡수를 개선하기 위해 수많은 기술이 개발되었습니다. 추가적인 광포집 구조를 달성하기 위한 나노구조의 사용은 반사광을 최소화하면서 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 질감이 있는 기판, 특히 V자 모양의 빛을 포착하는 구성은 장치 내부에서 다중 반사를 유도할 수 있어 광전류 변환 효율이 대략 52%로 향상되었다고 보고되었습니다. 또한 금 (Au)과의 Ag 등 광산란 및 국부적인 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 나노 입자를 사용하여 OSC 효율성을 향상시킨 연구도 많이 알려져 있습니다. 플라즈몬 나노입자와 유사하게, 플라즈몬 주름 나노구조는 입사광을 트래핑을 유발하고 입사광을 안내하는 격자 결합 표면 플라즈몬 공명(grating-coupled surface plasmon resonance _ GCSPR)과 결합함으로써 효율적인 광 포착 물체의 역할을 할 수 있습니다. 

 

- 여러 연구 그룹에서 주기적 및 비주기적 플라즈몬 나노구조는 태양전지의 효율을 증가시킵니다. 하나의 매혹적인 비주기적 나노구조 중 하나인 블루레이 디스크(BD)로 사용되었습니다. BD의 준-무작위 나노구조는 전체 태양 스펙트럼 내에서 광자의 결합에 적합한 섬과 구덩이로 구성됩니다. OSC에 BD 패턴을 도입하면 광 흡수가 향상되어 효율과 단락 광전류 밀도(J sc )가 향상되었습니다. 이 연구자들은 BD 구조로 강화를 관찰했지만 강화에 대한 물리적 설명에 대한 자세한 내용은 아직 제공되지 않았습니다. 

 

- 이에 비해, 이전 연구에서는 주기적인 나노구조, 특히 BD-R(Blu-ray Disc Recordable) 디스크 패턴을 사용하여 광전지 및 염료감응 태양전지의 J sc를 향상시키는 것을 보고했습니다. 이 연구의 결과는 J sc의 향상이 주로 BD-R 격자 구조의 GCSPR에 로부터 기인한다고 예상됩니다. 그 이유는 회절 격자의 격자 결합 SPR 현상은 격자 피치 및 구조에 크게 의존하는 것으로 알려져 있기 때문입니다. BD-R과 BD는 격자 피치의 너비(320nm)가 같지만 격자 자체의 기하학적 구조는 완전히 다릅니다. 우리가 아는 한, 동일한 폭의 피치를 갖는 회절 격자의 기하학적 효과에 대한 자세한 연구는 이전에 조사된 적이 없습니다. 따라서 SPR 결합 능력에 대한 격자 형상의 영향에 대한 추가적인 연구가 필요합니다.

 

 - 이 연구 보고서에서 우리는 BD 및 BD-R 격자 구조의 OSC를 제작하고 GCSPR, 광산란 및 프레넬 굴절이 효율성 향상에 미치는 영향을 연구합니다. 페닐-C 61- 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)과 혼합된 부티르산 메틸 에스테르(PCBM)가 OSC 장치의 활성층으로 사용되었습니다. BD 및 BD-R 패턴은 무압력 나노임프린팅 기술을 사용하여 OSC의 활성층 표면에 생성되었습니다. BD-R 및 BD 패턴의 활용은 BD 및 BD-R의 재사용을 위한 대안이 될 수 있습니다. BD 및 BD-R 격자 패턴을 도입하면 OSC 내부에 추가 광 트래핑 레이어가 생길 수 있습니다. GCSPR과 빛 산란이 OSC 성능 향상에 미치는 영향을 평가하기 위해 비편광 및 편광 조명 하에서 OSC 장치의 광학 및 전기적 특성을 주의 깊게 관찰했습니다.

 

격자 패턴의 형성

 혼합 폴리머의 유동성은 활성층 필름의 표면에 적절한 격자 패턴을 달성하는 데 중요한 역할을 합니다. 폴리머는 임프린팅 과정에서 PDMS 몰드의 음의 격자 패턴의 홈으로 흘러 들어가야 하고 몰드 분리 후에도 패턴을 유지해야 합니다.  여기서 잔류하는 용제가 유리 전이 온도 이상에서 점성 상태로 상 변이 되어 격자 패턴의 형성을 허용합니다(건식 폴리머 필름에 나노 임프린팅을 하면 격자 패턴이 잘 생성되지 않습니다). 열 어닐링으로 건조된 고분자 필름을 나노 임프린팅하면 격자 높이에서 ~ 15nm정도 격자 패턴에 결함이 생깁니다. 그러나 열 어닐링을 사용하여 축축한 폴리머 필름에 나노 임프린팅을 수행했을 때 완벽한 격자 패턴이 달성되었습니다 나노 임프린팅된OSC박막에 조명을 비추면 격자 패턴이 무지개 색상의 모양으로 관찰됩니다. 이 속성은 OSC 장치의 활성층에 있는 격자 구조에서 발생하는 광산란 효과에 기인할 수 있습니다. 

 

 

제작된 OSC의 광학적 특성

 회절 격자는 입사 광자를 표면 플라즈몬(SP)에 결합할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 표면 플라즈몬의 여기는 공진 파장에서 딥 피크로 관찰할 수 있습니다. OSC의 활성층 표면에 격자구조를 도입했을 때, 광 산란과 grating-coupled surface plasmon resonance (GCSPR)에 의해 OSC 내부의 흡수광이 개선되었습니다. 광 산란의 경우 s-pol과 p-pol의 입사 광선이 격자 표면에 의해 산란 및 반사되어 활성층 필름에서 빛의 진행 경로가 증가할 수 있습니다. 이 현상은 400-600 nm 파장 영역에서 OSC의 광흡수의 개선을 나타냅니다. 입사각이 증가할 때 400-600 nm영역대에서 상대 반사율 곡선의 이동하는 것을 관찰했습니다. s-pol 조명의 경우, 상대 반사율 곡선은 입사각이 증가함에 따라 점차적으로 증가했습니다. p-pol 조명의 경우, BD-R 장치의 상대 반사율은 입사각이 20°에서 60°로 증가할 때 감소한 다음 70°에서 증가했습니다. BD OSC의 경우, 상대 반사율은 20°에서 50°로 감소하고 60° 및 70°에서 증가했습니다. 이 결과는 유리/공기 계면에서 편광의 반사를 포함하는 프레넬 반사로 설명할 수 있습니다. 결과적으로 BD-R 태양전지에서 더 큰 향상이 관찰되었다. 이러한 차이는 금속 격자 표면의 GCSPR 여기 및 광 산란에서 비롯됩니다. 이 연구의 결과는 이러한 격자 시스템에 대한 더 큰 이해를 제공하고 더 나아가 다양한 박막 표면 특성을 분석하는데 큰 기여를 할 것으로 예상됩니다.

 

 

<출 처>

 

논문 제목: Grating-coupled surface plasmon resonance-enhanced organic photovoltaic devices induced by Blu-ray disc recordable and Blu-ray disc grating structures (Nanoscale, 2017,9, 4963-4971).

 

저자: Supeera Nootchanat, Apichat Pangdam, Ryousuke Ishikawa, Kanet Wongravee, Kazunari Shinbo, Keizo Kato,   Futao Kaneko, Sanong Ekgasit and Akira Baba