Circuit modeling of series and parallel polymer tandem solar cells

Abstract

몇 년 전부터 탠덤 구조 고분자 태양 전지는 좁은 흡수 영역으로 인해 태양 스펙트럼의 일부밖에 사용하지 못하는 유기 태양 전지의 단점을 극복할 수 있는 최상의 방법으로 여겨지고 있다. 기존의 3-단자 병렬 탠덤 구조에서는 중간층에 사용되는 금속 전극으로 인해 광 투과에 손실이 생긴다. 또한 금속 전극을 쌓기 위해서는 진공 증착 과정이 필요하므로, 비용측면에서도 단점이 존재한다. 3-단자 병렬 탠덤 구조에서의 이런 단점을 극복하기 위해서, 이 논문에서는 투명한 강유전체 고분자인 poly vinyledene fluoride (PVDF) 박막을 두 subcell 사이의 중간층으로 사용하였다. PVDF 박막의 쌍극자 때문에 생기는 국소 전기장은 각각의 subcell로부터 생겨난 정공과 전자의 재결합을 억제하여, 전체 short circuit 전류를 증대시키는 역할을 한다. 보통의 2-단자 탠덤 구조에서 중간 층은 재결합을 위한 층으로 사용되어, 전압을 증가시키고 전류를 억제시키지만, 이 논문의 PVDF 박막은 전류를 증가시키고, 전압은 두 subcell의 중간값으로 유지시켜, 병렬 회로가 형성되도록 만들었다. ITO/PEDOT:PSS/PVDF/PCDTBT:PC71BM/PVDF/PTB7:PC71BM/LiF/Al 구조에서 short circuit 전류는 subcell의 short circuit 전류보다 70% 증가하였고, 5.94%의 전력 변환 효율(PCE)을 얻었다. 탠덤 구조 태양 전지가 두 subcell로 만들어짐에도, 각각의 subcell의 photovoltaic 파라미터들과 탠덤 구조 태양 전지의 파라미터들의 상관 관계에 대한 연구는 이루어지지 않았다. 그래서 이 논문에서 두 개의 다이오드가 직렬 혹은 병렬로 연결되어 있는 회로 모델을 제시하여, subcell의 파라미터와 탠덤 구조 태양 전지의 파라미터의 상관 관계에 대하여 분석하였다. 모델을 통해 open circuit 전압(VOC)과 short circuit 전류(ISC), 그리고 fill factor (FF)에 관한 식을 얻을 수 있었다. 이 회로 모델의 유효성을 알아보기 위해서, 두 가지 형태의 2-단자 탠덤 구조 고분자 태양 전지를 제작하였다. ITO/ZnO/P3HT:PC71BM/PEDOT:PSS/ZnO/PTB7:PC71BM/PEDOT:PSS/Ag 구조는 직렬 탠덤 구조이고, ITO/PEDOT:PSS/PVDF/PTB7:PC71BM/PVDF/PCDTBT:PC71BM/LiF/Al 는 병렬 탠덤 구조이다. 직렬 탠덤 구조에서 VOC, ISC, FF 는 각각 최대 편차 11, 10, 5.24% 이내에서 실험값과 잘 일치하는 결과를 보여주었다. 이 셋의 곱으로 주어지는 전력 변환 효율 역시 실험값과 잘 일치하였다. 병렬 탠덤 구조에서도 VOC, ISC, FF 는 각각 최대 편차 3.7, 7, 17.9% 이내에서 실험값과 잘 일치하는 결과를 보여주었다. FF에서 최대 편차가 좀 크게 나타났지만, 평균적으로 6.5% 편차 이내에서 실험값과 일치하였다. 이와 같은 결과로부터, 3장에서 제시한 두 개의 다이오드로 이루어진 회로 모델이 직렬 및 병렬 탠덤 구조 태양 전지의 동작 특성을 subcell의 파라미터로 잘 설명할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 이 모델을 이용하면, 직접 탠덤 구조 태양 전지를 제작하지 않더라도 subcell의 정보를 이용하여 탠덤 태양 전지의 동작 특성을 예측할 수 있다는 것을 보여준다.