Meta Back Reflector와 Color Filter 설계 및 유기태양전지로의 적용

Abstract

유기태양전지는 저렴한 생산 비용, 공정의 유연성, 경량화 및 대면적화 가능성 등 다양한 장점을 바탕으로 최근 많은 주목을 받고 있다. 하지만 유기태양전지의 광 활성층(photoactive layer)의 제한된 두께로 인해 내부 광 경로의 길이가 짧아져 광전 변환 효율(power conversion efficiency)에 한계를 가진다. 이러한 단점을 극복하기 위해 플라즈모닉 구조체를 유기태양전지에 적용하려는 연구가 진행되고 있다. 한편 유기태양전지의 금속 후면 전극, hole transfer layer(HTL), electron transfer layer(ETL), 투명 전면전극으로 인해 다중 반사가 발생하여 추가적으로 광 흡수율이 낮아지게 된다. 특히, HTL의 매우 얇은 두께(< ~50 nm)에도 불구하고 상쇄 간섭 현상 발생하는데, 이로 인해 back reflector의 반사율이 크게 감소하여 광 활성층의 빛 흡수를 방해한다. 본 논문에서는 유효 광 경로 길이 증가와 HTL로 인한 후면/내부 다중 반사 감소를 극복하기 위하여 양극과 HTL 역할을 하는 meta back reflector (MBR)를 설계하였다. 제안된 MBR은 반사파의 세기와 위상을 변조할 수 있는 다중박막 구조로써 공정이 용이하고 일반적인 반사체에 비해 평균 반사율이 ~21% (300 nm < λ < 800 nm) 향상 되었다. 또한 4-point probe 시스템을 통해 MBR의 면저항을 측정한 결과 ~0.18 Ω/sq의 매우 낮은 값을 얻어 우수한 전기적 특성을 확인하였다. 이를 유기태양전지에 적용하였을 때, 제한된 광 활성층의 두께(~50 nm)에도 불구하고 높은 광 흡수율(~65.5%, 300 nm < λ < 800 nm, AM1.5G)을 나타냈다. 또한 MBR 구조에 파장 선택적 cavity 특성을 도입하여 meta color filter로 응용이 가능하다. 이러한 구조는 다양한 색상과 투과 세기 조절이 가능할 뿐만 아니라 투과 파장 이외의 대역에서 향상된 반사 특성을 가진다. 이를 통해 얇은 광 활성층(~88 nm)의 color-tunable 유기태양전지를 구현하였고, 각각 ~53.2%, ~3.6% (400 nm < λ < 800 nm, AM1.5G) 이상인 높은 광 흡수 및 투과율 특성과 넓은 색재현율을 보였다.