Exploring the Potential of Ternary Blending for Two and Three-Junction RAINBOW Solar Cells

본 연구는 밴드갭을 최적화하고 제조 과제를 최소화하기 위해 3 원계 혼합 서브셀을 활용하는 확장 가능한 RAINBOW 분광 분할 아키텍처가 단일 접합 소자에서 12.9% 인 유기 광전지 효율을 3 접합 구성에서 17.3% 로 향상시킬 수 있음을 입증하여 고성능 제조 가능한 태양전지에 대한 타당성을 확인하였다.

핵심

비想象해 보세요. 하나의 넓은 양동이를 사용해 빗물을 받아내려 한다고 가정해 봅시다. 비가 살살 내리면 조금만 받아낼 수 있습니다. 하지만 폭우가 쏟아지면 양동이가 넘쳐서 초과된 물은 손실됩니다. 이것이 바로 오늘날의 기존 태양전지가 작동하는 방식입니다. 특정 에너지의 광자 (빛 입자) 만을'잡을'수 있는 단일 물질로 만들어졌기 때문입니다. 빛이 너무 약하면 물질은 이를 무시하고, 너무 강하면 빛은 잡지만 초과된 에너지를 열로 낭비합니다.

이 논문 연구자들은RAINBOW라는 새로운 교묘한 설계를 통해 더 나은'빗물 수집 시스템'을 구축하려 합니다.

기존 방식 (적층) 의 문제점

보통 더 많은 종류의 빛을 포착하기 위해 과학자들은 샌드위치처럼 서로 다른 태양전지를 수직으로 적층합니다. 최상층은 밝고 고에너지의 빛을 포착하고 나머지는 하층으로 통과시킵니다. 하지만 이는 구축하기가 까다롭습니다. 마치 섬세한 팬케이크를 완벽하게 쌓으려는 것과 같습니다. 정확히 정렬되지 않으면 전체가 무너지거나 작동이 멈춥니다. 또한 각 층이 생산하는 전기량이 완벽하게 일치해야 하므로 제조사들에게는 골치 아픈 문제입니다.

새로운 아이디어: RAINBOW 접근법

연구자들은 전지를 수직으로 적층하는 대신 바닥의 타일처럼옆으로 나란히배치했습니다. 특수한 광학 거울 (광학 소자) 을 프리즘처럼 사용해 햇빛을 분산시켜 서로 다른 색상의 빛을 다른 타일로 보냅니다.

• 푸른 빛은'푸른 타일'로,
• 초록 빛은'초록 타일'로,
• 붉은 빛은'붉은 타일'로 향합니다.

옆으로 나란히 배치했기 때문에 완벽하게 적층할 필요가 없으며 전기 출력도 정확히 일치할 필요가 없습니다. 이로 인해 스퀴지 (squeegee) 와 같은 대규모 확장 가능한 공구로 제조하기가 훨씬 쉬워집니다 (이 공정을블레이드 코팅이라고 합니다).

빠진 조각:'3 성분'혼합물

팀은'푸른'및'초록'타일은 잘 작동했지만, 가장 낮은 에너지인 원적외선 빛을 포착하는'붉은 타일'은 어려움을 겪고 있음을 발견했습니다. 이는 바닥에 구멍이 난 양동이와 같아 물을 받을 수는 있지만 많은 에너지를 새어 버리는 상황이었습니다.

이를 해결하기 위해 붉은 타일에 단일 물질만 사용한 것이 아니라**3 성분 혼합물 (Ternary Blend)**을 만들었습니다.
이진 혼합물 (binary blend) 을 두 가지 과일 (기부자와 수용체) 로 만든 스무디라고 한다면,3 성분 혼합물은 세 번째 과일이 추가된 것입니다.

• 그들은 문제가 되던 붉은 색 물질을 가져와 세 번째 성분을 섞었습니다.
• 이 세 번째 성분은'다리'또는'조력자'역할을 했습니다. 전류 흐름을 개선하고 에너지 누출을 막아주었습니다.
• 구체적으로, 주 포착제인COTIC-4F와 조력자인BTP-eC9를 혼합했습니다.

이 새로운 3 부분 혼합물은 같은 양의 빛을 포착하는 것을 넘어, 더 효율적으로 빛을 포착하여 더 많은 전기를 생산했습니다.

결과: 더 나은 포획

팀은 이 아이디어를 두 가지 방식으로 테스트했습니다.

1. 컴퓨터 시뮬레이션: 이 타일들을 결합했을 때 어떤 일이 일어날지 모델링했습니다. 그 결과2 접합시스템 (푸른색 + 붉은색) 은**16.4%효율을, 3 접합시스템 (푸른색 + 초록색 + 붉은색) 은17.7%**효율을 달성할 수 있음을 발견했습니다.
2. 현장 테스트: 블레이드 코팅 방식을 사용해 실제로 이러한 나란히 배치된 장치를 제작했습니다. 결과는 시뮬레이션과 매우 근접했습니다.
   • 2 접합 장치: **15.9%**효율.
   • 3 접합 장치: **17.3%**효율.

이는 단일 물질 장치의 약**12.9%**에 비해 큰 도약입니다.

미래 전망

이 논문은'RAINBOW'설계가 유기 태양전지의 효율을 높이는 매우 유망하고 확장 가능한 방법이라고 결론지었습니다. 다만, 효율을 더욱 높이기 위해서는 매우 높은 에너지 (광대역) 의 푸른 빛을 포착하는 데 탁월한 물질을 찾아야 한다는 마지막 장애물을 지적합니다. 현재로서는 그 물질들이 붉은색과 초록색 물질만큼 뛰어나지는 않습니다.

요약하자면: 태양전지를 적층하는 대신 옆으로 나란히 배치하고, 붉은 빛 포착 물질의 누출을 수정하기 위해'세 번째 성분'을 혼합함으로써, 팀은 제조가 더 쉽고 태양으로부터 훨씬 더 많은 에너지를 포착하는 태양전지 설계를 만들어냈습니다.

기술 요약

기술 요약: 이접합 및 삼접합 RAINBOW 태양전지를 위한 3 성분 블렌딩의 잠재성 탐구

문제 제기
유기 광전지 (OPV) 는 최근 단일 접합 소자에서 20% 이상의 효율을 달성했으나, 입사 태양광 스펙트럼과 광활성 물질의 밴드갭 사이의 스펙트럼 불일치로 인해 근본적인 한계에 직면해 있습니다. 다접합 구조 (탠덤) 는 열화 및 흡수 손실을 줄여 더 높은 효율로 이어지는 경로를 제공하지만, 수직 적층 구성은 전류 정합 제약, 복잡한 인터커넥트 층, 확장성 문제 등 상당한 제조 장애물에 직면해 있습니다. "RAINBOW"아키텍처는 서브셀을 나란히 배치하고 외부로 연결하며, 광학 요소를 사용하여 입사광을 측면으로 분할함으로써 이러한 문제를 해결할 것을 제안합니다. 그러나 RAINBOW 소자의 성능은 현재 전 밴드갭 스펙트럼에 걸쳐 고효율 물질을 구할 수 있는 가용성, 특히 좁은 밴드갭 (NBG, <1.3 eV) 과 넓은 밴드갭 (WBG, >1.7 eV) 영역에서의 가용성에 의해 제한받고 있습니다. 또한, PTB7-Th:COTIC-4F 와 같은 기존 NBG 시스템은 종종 낮은 개방 회로 전압 ($V_{oc}$) 과 비효율적인 전하 추출로 인해 적색 서브셀로서의 활용도가 제한됩니다.

방법론
본 연구는 물질 스크리닝, 3 성분 블렌드 최적화, 소자 시뮬레이션, 그리고 확장 가능한 제조를 결합한 다각적 접근법을 사용합니다:

1. 물질 스크리닝 및 3 성분 최적화: 저자는 1.98 eV 에서 1.16 eV 까지의 밴드갭을 가진 7 가지 이진 도너 - 억셉터 시스템을 평가했습니다. NBG 이진 시스템인 PTB7-Th:COTIC-4F 의 한계를 인식하고, $V_{oc}$를 조절하고 전하 수송을 개선하기 위해 세 번째 구성 요소 (두 번째 억셉터 또는 풀러렌 유도체) 를 도입하여 3 성분 블렌드를 탐구했습니다. PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 시스템을 중심으로 5 가지 특정 3 성분 시스템을 테스트했습니다.
2. 특성 분석: 소자는 최적의 활성층 두께를 결정하기 위해 두께 구배를 가진 고속 블레이드 코팅을 사용하여 제작되었습니다. 포괄적인 특성 분석에는 AM1.5G 하에서의 전류 - 전압 (JV) 측정, 외부 양자 효율 (EQE) 프로파일링, 그리고 미세구조와 결정성을 분석하기 위한 싱크로트론 기반의 Grazing Incidence Wide Angle X-ray Scattering (GIWAXS) 이 포함되었습니다.
3. 시뮬레이션: 2 접합 및 3 접합 RAINBOW 구성을 모델링하기 위해 반실험적 시뮬레이션이 수행되었습니다. 이러한 모델은 다양한 스펙트럼 분할 파장 ($\lambda_{div}$) 에 대한 부분 전류와 효율을 계산하기 위해 실험적 JV 파라미터와 EQE 곡선을 활용했습니다.
4. 개념 증명 제조: 확장 가능한 meniscus-guided 블레이드 코팅을 사용하여 모놀리식 RAINBOW 소자를 제작했습니다. 이 소자는 단일 기판 위에 최대 6 가지 다른 활성 물질을 나란히 증착했습니다. 이러한 소자는 RAINBOW 작동 조건을 모방하기 위해 프로그래밍 가능한 LED 태양 시뮬레이터로 생성된 맞춤형 부분 스펙트럼 하에서 특성 분석되었습니다.
5. 이론적 분석: 유기 반도체의 고유한 비방사성 손실, 특히 재배열 에너지를 고려하기 위해 수정된 상세 균형 한계가 계산되어 이 기하학적 구조에 대한 이론적 상한을 추정했습니다.

주요 기여 및 결과

• NBG 서브셀을 위한 3 성분 블렌딩: 본 연구는 3 성분 블렌딩이 이진 NBG 시스템의 한계를 극복하는 효과적인 전략임을 입증합니다. 구체적으로, PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 3 성분 블렌드 (1:0.6:0.9 비율로 최적화) 는 적색 서브셀의 성능을 크게 향상시켰습니다. 이진 PTB7-Th:COTIC-4F 는 0.54 V 의 낮은 $V_{oc}$로 6.62% 의 효율만 달성한 반면, 3 성분 블렌드는 0.60 V 로 증가된 $V_{oc}$와 함께 8.71% 의 효율에 도달했습니다. 결정적으로, 3 성분 블렌드는 공유 흡수 영역에서 더 높은 EQE 값으로 입증된 바와 같이 전하 추출 효율을 개선하면서도 1100 nm 까지 확장된 NIR 흡수를 유지했습니다. GIWAXS 분석에 따르면, 미세구조는 COTIC-4F 가 지배적이었으나 3 성분 시스템의 에너지 준위 정렬은 COTIC-4F 에서 BTP-eC9 로의 계단식 전자 이동을 용이하게 하여 재결합 손실을 감소시켰습니다.
• 다접합 구성의 시뮬레이션: 시뮬레이션은 RAINBOW 소자의 가장 높은 이론적 효율이 이러한 최적화된 3 성분 블렌드의 포함에 달려 있음을 확인했습니다.
  • 2 접합: 최적 구성 (청색 셀로 PTQ10:FCC-Cl, 적색 셀로 PTB7-Th:COTIC-4F:BTP-eC9 3 성분) 은 **16.4%**의 시뮬레이션 광전 변환 효율 (PCE) 을 달성했는데, 이는 최상의 단일 접합 셀 (12.9%) 과 이진 기반 RAINBOW (15.2%) 보다 현저히 높은 수치입니다.
  • 3 접합: 최적의 2 접합 스택에 녹색 서브셀 (PM6:DTY6) 을 추가하면 시뮬레이션 PCE 가 **17.7%**에 도달했습니다.
• 실험적 검증: 블레이드 코팅을 통해 제작된 개념 증명용 RAINBOW 소자가 시뮬레이션을 검증했습니다.
  • 2 접합 소자는 **15.9%**의 실험적 PCE 를 달성했습니다 (이진 기반 대응 소자의 15.1% 대비).
  • 3 접합 소자는 **17.3%**의 실험적 PCE 를 달성했습니다 (이진 기반 대응 소자의 17.0% 대비).
  • 이러한 결과는 나란히 증착하는 방법의 타당성과 다접합 성능 향상을 위한 3 성분 블렌드의 효과성을 확인시켜 줍니다.
• 이론적 한계: 저자는 비방사성 손실을 포함하는 OPV 를 위한 수정된 상세 균형 한계를 제안합니다. 이 모델은 밴드갭이 1.5 eV 일 때 단일 접합 OPV 의 최대 이론적 효율이 약 27% (표준 쇼클리 - 퀘이서 한계인 33% 보다 낮음) 라고 시사합니다. 다접합 RAINBOW 소자의 경우, 개선된 전류와 필 팩터를 가진 고효율 WBG 물질 (>2 eV) 이 개발된다면 효율을 더 높일 수 있음을 모델이 나타냅니다.

의의
본 논문은 고효율 OPV 를 위한 수직 적층 탠덤의 실현 가능하고 확장 가능한 대안으로서 RAINBOW 아키텍처를 확립합니다. 좁은 밴드갭 물질의 $V_{oc}$와 전하 수송 특성을 스펙트럼 커버리지를 희생하지 않고 효과적으로 조절할 수 있음을 3 성분 블렌딩을 통해 입증함으로써, 본 연구는 다접합 OPV 설계의 현재 병목 현상을 극복하기 위한 구체적인 경로를 제공합니다. 확장 가능한 블레이드 코팅 방법을 사용하여 17.3% 에 근접하는 효율을 가진 3 접합 소자의 성공적인 제조는 산업적 적용 가능성을 강조합니다. 또한, 이 작업은 이 기하학적 구조에서의 미래 성취가 고성능 넓은 밴드갭 물질의 개발에 달려 있음을 강조하며, RAINBOW 개념의 잠재력을 완전히 실현하기 위해 물질 연구의 초점을 >2 eV 영역으로 전환해야 함을 시사합니다.