<재단 제25기 해외유학장학생 Stanford U. 전기전자공학과 2009년 9월 졸업, 현 Stanford U. 연구원>

유기태양전지는 유기 반도체의 전기적, 광학적 특성의 조정 가능성과 저비용 제조 가능성, 그리고 휘어지는 기판위에 만들 수 있는 특징때문에 유망한 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다. 하지만, 낮은 전기변환 효율과 완벽히 증명되지 않은 안정성이 상업화에 걸림돌이 되고 있다.

이 논문에서, 우리는 구형의 금속 나노입자가 빛을 흡수하는 물질안에 있을때 이 물질에 의한 광학 흡수가 얼마만큼 증가하는지를 분석한다. 금속 나노입자에서부터의 거리에 따른 광학 흡수를 계산하기위해서 일반화된 Mie 이론을 이용하였다. 이 분석은 박막형태양전지에 금속 나노입자를 넣었을때 광학흡수가 얼마만큼 증가할지를 계산하는데 이용된다. 전체 광학흡수를 최대한으로 유지하면서 그 흡수의 대부분이 금속나노입자가 아닌 주변 물질에 흡수될 수 있게 하는 방법을 연구한다. 증가된 광학흡수는 금속 나노입자의 강한 산란때문인데, 금속 나노입자는 근방의 전기장을 강하게 만든다. 또한 금속 나노입자 주위의 얇은 유전체막의 효과에 대해서도 논의한다.

투명 전극은 박막형 태양전지, 발광다이오드, 그리고 많은 디스플레이 장치에 매우 중요한 요소이다. 도핑된 금속 산화물이 많이 쓰이고 있지만 낮은 표면저항을 가지는 박막에서는 광학적 투명도가 떨어진다. 또한 그런 물질들은 휘어지는 기판위에 만들었을때 깨지기 쉽다. 또한 값이 비싸며, 좋은 성능을 위해서는 고온 공정을 요구한다. 우리는 용액 공정으로 만든 규칙적이지 않은 금속 나노 선의 망으로 이루어진 투명 전극을 제시한다. 이 새로운 투명전극은 같은 표면저항을 가지는 금속 산화물형 투명전극보다 비슷하거나 더 나은 광학 투명도를 보인다. 금속 나노선형 투명전극위에 제작된 유기태양전지는 금속산화물형 투명전극위에 제작된 전지와 비슷한 성능을 보인다.

우리는 은나노선들로 만든 투명전극을 이용한 반투명 유기태양전지를 만든다. 투명전극을 유기물질위에 붙이는 공정은 바로 밑의 유기물질을 손상시키지 않으며, 광전류를 모으는데 영향을 주지 않고 낮은 표면저항과 높은 광학 투명도를 유지시켜준다. CuPc/C60 로 이루어진 반투명 유기태양전지는 투명하지 않은 일반적인 유기태양전지의 57%에 해당하는 전기변환효율을 보여주었는데, 음극에서의 줄어든 반사가 유기물질의 광흡수를 줄였기때문이다.

여러개의 에너지띠간격(bandgap)을 갖는 태양전지들이 직렬로 연결된 다중접합 구조는 유기태양전지의 전기변환효율을 상업화가 가능한 수준으로 끌어 올리는데 있어서 각광받는 방식이다. 각각의 태양전지의 광전류들이 같아야만 하는 조건을 없앤다면 더 높은 효율을 얻을 수 있는데, 다중전극 다중접합 구조에서 중간 전극을 사용함으로써 만들 수 있다. 우리는 은나노선형 투명전극을 중간 전극으로 사용한 다중전극 다중접합 유기 태양전지를 보여준다. 여기에서 만든 다중전극 다중접합 태양전지는 폴리머 벌크 이종 접합구조형 태양전지를 전면, 소분자 이중 층 구조형 태양전지를 후면에 배치한 구조이다. 각 태양전지들의 광전류가 상당히 차이가 남에도 불구하고 전체 전류는 둘중의 낮은 전류값에 제한받지 않는다. 모의 실험을 통해서 기존의 직렬연결된 다중접합 구조형과 다중전극 다중접합 구조형 태양전지의 잠재적으로 가능한 효율을 비교해 본다.

우리는 은나노선들로 이루어진 투명전극을 사용하여 ITO 전극을 대체한 유기 발광 다이오드를 보여준다. 은나노선때문에 생긴 불규칙한 표면이 유기 발광 다이오드의 내부의 광자를 소자밖으로 뽑아내는 효율을 30%까지 향상시키는데 도움을 준다. 전자기장 모의 실험을 통해서 실험결과를 입증한다.