표면 플라즈몬 공명을 이용한 고분자 태양전지의 효율 개선

Abstract

고분자 태양전지는 낮은 가격, 가벼운 무게, 뛰어난 기계적 유연성을 가지고 있어 차세대 에너지원으로 각광받고 있으며 최근 고분자/fullerene의 복합박막 구조를 갖는 고분자 태양전지가 널리 연구되고 있다. 하지만 고분자 태양전지에 사용되는 고분자 물질은 낮은 전하 이동도와 매우 짧은 엑시톤 확산거리를 갖기 때문에 고분자 태양전지의 광 활성층은 매우 얇은 두께를 가져야만 한다. 이러한 한계 때문에 고분자 태양전지는 광 활성층에서 태양광을 충분히 흡수하지 못하여 무기 태양전지에 비해 낮은 광 변환 효율을 가지고 있다. 따라서 고분자 태양전지의 광 활성층의 두께를 증가시키지 않고 광 흡수를 촉진시킬 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 얇은 광 활성층에서 광 흡수를 촉진시킬 수 있는 연구가 많은 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 표면 플라즈몬 공명을 적용하여 고분자 태양전지의 효율을 향상시키는 세가지 방법을 제안한다. 첫 번째는 근 적외선 영역에서 발생하는 국부적 표면 플라즈몬 공명 (LSPR)을 이용하여 소자의 효율을 증가시키는 플라즈모닉 고분자 태양전지 구조 제안이다. 양극 완충층에 금 나노 막대를 삽입하는 방법을 통하여, 근 적외선 영역에서 LSPR을 발생시키고, 발생한 LSPR과 광 활성층에서 광 생성된 exciton의 coupling을 통해 hot electron (hot exciton)을 유도할 수 있다. Hot exciton은 coulombic potential을 극복할 수 있는 에너지를 갖고 있으므로 표면 플라즈몬을 통한 hot exciton의 생성은 광 활성층에서 생성된 exciton의 전하 해리 (charge dissociation) 확률을 높여 줄 수 있다. 광 생성된 exciton의 전하 해리가 촉진되면 geminate recombination이 감소하고 고분자 태양전지의 fill factor가 증가하여 소자의 광 변환 효율이 증가하는 효과를 기대 할 수 있다. 근 적외선 대역에서 LSPR을 유도하기 위하여 금 나노 막대를 화학적 방법으로 합성하였으며, LSPR에 의해 발생하는 plasmonic field와 광 활성층에서 생성된 exciton 사이의 상호작용을 확인하기 위하여 photoluminescence (PL) 측정과 time-resolved photoluminescence (TRPL)측정을 통한 기존 구조와의 비교 실험이 수행되었다. 두 번째는 은 나노 프리즘을 광 활성층 내부로 직접 삽입하여 고분자 태양전지의 효율을 향상시키는 방법이다. 표면 플라즈몬 공명은 금속 나노 구조의 계면에서 강화된 전기장을 발생시키지만 금속표면의 수직방향으로 멀어질수록 세기가 지수적으로 감소하는 소멸파의(evanescent wave) 성질을 갖는다. 따라서 국부적 표면 플라즈몬으로 발생하는 강화된 전기장을 고분자 태양 전지에 효율적으로 적용하기 위해선 금속 나노 입자를 광 활성층과 최대한 가깝게 위치시켜야 한다. 국부적 표면 플라즈몬으로 유도되는 강화된 전기장을 효과적으로 소자에 적용하기 위해 본 연구에선 은 나노 프리즘을 광 활성층 내부로 직접삽입하는 소자 구조를 제안하였다. 은 나노 프리즘을 광 활성층에 삽입함으로써 은 나노 프리즘의 LSPR으로 발생하는 강화된 전기장을 최대한 활용 할 수 있고 은 나노 프리즘에서 발생하는 산란현상을 통해 광 활성층 내부에서의 effective optical path가 증가되어 광 흡수가 촉진되는 효과도 기대 할 수 있다. 또한 이 방법은 간단한 습식 화학법으로 합성된 은 나노 프리즘을 용매 치환 후 고분자 광 활성층 용액에 일정 부피 비율로 섞어주기만 하면 되며 금속 나노 입자를 생성하기 위해 열 증착법이나 전기 증착법 등 추가적 공정을 사용할 필요가 없고 기존 고분자 고분자 태양전지가 가지고 있는 공정적 이점을 모두 유지 할 수 있다. 우선적으로 본 연구의 가능성 확인을 위하여 FDTD 시뮬레이션을 이용해서 광 활성층에 은 나노 프리즘을 삽입했을 때 발생하는 광 흡수 향상 효과를 확인하고 실제 고분자 태양전지 소자에 적용하였다. 마지막으로 실제 의류에 사용될 수 있는 얇고 유연한 직물기판 위에 표면 플라즈몬 공명을 이용한 고효율 웨어러블 고분자 태양전지를 구현하였다. 섬유 기반의 웨어러블 일렉트로닉스 (wearable electronics)는 차세대 전자기술로 많은 기대를 모으고 있다. 이중에서 웨어러블 태양전지는 매우 큰 관심을 모으고 있는데 전자기기들을 섬유기판에 적용할 때 필요한 전력을 별도의 전원장치 없이 웨어러블 태양전지를 통해서 공급 해 줄 수 있기 때문이다. 고분자 태양전지는 용액기반의 인쇄공정을 통한 대면적화가 용이하여 높은 생산성을 기대할 수 있으며 낮은 가격, 가벼운 무게, 뛰어난 기계적 성질 등의 장점을 가지고 있어 웨어러블 태양전지에 매우 적합하다. 하지만 고분자 태양전지는 광 활성층의 두께가 얇아야 하고 이로 인해서 소자의 광 변환 효율이 제한되는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 표면 플라즈몬 공명을 웨어러블 고분자 태양전지에 적용하였다. 표면 플라즈몬 공명 현상을 웨어러블 고분자 태양전지에 활용하기 위해서 나노구조를 갖는 배면전극 (rear electrode)을 웨어러블 고분자 태양전지에 적용하였다. 나노구조를 형성할 때 ZnO층에 SiO2 나노 입자를 삽입하는 방법을 이용함으로써 단 한번의 스핀코팅으로 대면적의 균일한 나노구조 전극을 형성할 수 있었다. SiO2 나노 입자를 ZnO 전구체 용액에 섞은 후 스핀코팅 하여 균일한 반구 모양의 나노 구조를 형성하고 그 위로 Ag 100 nm를 열 증착하여 반구모양의 균일한 나노구조를 갖는 배면전극을 제작하였다. 나노구조를 갖는 배면전극을 웨어러블 고분자 태양전지에 적용하여 plasmonic 소자를 제작하고 plasmonic 소자의 효율 향상 원인을 다양한 측정을 통해 자세히 분석하였다.