Optical Filters for Colorful Organic Solar Cell

Abstract

Colorful OSCs (C-OSC) were made from one active material (PTB7-TH:PC71BM) by incorporating Ag/TiOX/Ag resonant cavities as the anode. This electrode allows tuning of transmitted color by adjusting the resonance through the TiOX cavity layer thickness. The C-OSCs achieve spectrally pure transmitted colors with sub-100nm resonance widths, have bidirectional optical properties, and guarantee a transmission efficiency above 25% that meets the requirement for use as windows. The blue, green and red colored C-OSC show enhanced JSC values of 32~34% compared to that of a transparent OSC with the same active material. The key benefit of FP-CF integration is that it can separate the optical and electrical properties of the device. We also investigate additional improvements to the JSC of the C-OSC by adding grating or cross-structure layers into the FP-CF electrode. This has the advantage of improving light absorption in the active layer due to light trapping and scattering properties provided by the periodic structure. A single layer of particles also can realize angle-independent colors in an angular range larger than that offered by a thin film. We fabricated such structures using close-packed spherical nanoparticles using facile solution-based methods. While such methods are scalable and simple to implement, they offer enhanced photovoltaic performances and a diverse range of colors in the OSC. These results provide one the freedom to explore inventive designs for colorful, power generating windows. This thesis will introduce the background theory, fabrication, and characterization of these C-OSCs.;태양에너지를 전기에너지로 변환하는 반 투명하고 다채로운 광전지 및 디스플레이는 건물 및 차량에 미적 요소를 부여함과 동시에 전력을 생성할 수 있는 유망한 에너지 기술이다. 특히, 유기 태양전지는 투명성, 확장성 및 생산 저비용 등과 같은 두드러진 특징으로 실리콘 및 무기 박막 태양 전지에 비해 반 투명하고 다채로운 장치로 생산하기에 적합하다. 일반적으로 유기 태양전지에 색상을 부여하기 위해서는 활성 물질의 고유 흡수 밴드를 조절하거나 구조적 색상을 구현할 수 있는 컬러 필터를 유기 태양전지의 활성 층 또는 전극에 직접적으로 통합하는 방식들이 연구되어왔지만, 이러한 전략은 제한된 활성 물질들의 종류와 새로운 흡수 밴드를 만들기 위한 복잡한 합성 또는 공정을 필요로 하기 때문에 제조 및 비용에 상응하는 문제들이 있다. 따라서 본 논문에서는 Ag-TiOx-Ag로 구성된 간단한 투과형 페브리-페로 컬러 필터를 제작하고 유기 태양전지의 전극으로 사용하여 뚜렷하고 다양한 색상을 부여하였다. 본 논문의 1장과 2장에서는 연구 동기를 포함한 배경 및 일반적인 지식을 서술하였다. 본 페브리-페로 컬러 필터는 TiOX 층의 두께를 통해 공동 공진을 변화시킴으로써 유기 태양전지의 양방향성의 다양한 투과색을 높은 채도로 조정할 수 있다. 또한 본 전략의 핵심 이점은 페브리-페로 컬러필터에서의 공동 공진 변화가 태양전지 내의 전하 수송 경로 외부에서 발생하기 때문에 투과된 색상의 변화가 소자의 수송 특성에 영향을 미치지 않는다는 점이다. 따라서 본 논문의 3장에서는, 본 컬러 필터가 통합된 유기태양전지의 간단한 제조 방법 및 장치의 성능을 거의 균일하게 유지하며 다채로운 색상을 구현하는 독창적인 디자인을 제안한다. 또한 페브리-페로 컬러 필터의 유전체 공동 층을 구형의 입자를 사용하여 2차원 육각형 단일 배열 구조로 대체함으로써 태양전지내의 전류 밀도 및 에너지 변환 효율을 더욱 향상하고, 입사광의 각도에 따라 유사한 색상을 구현할 수 있도록 설계할 수 있다. 구조체 경계 면에서 유도된 회절 광의 각도가 임계각보다 큰 경우, 그것은 장치의 내부에 반영됨으로써 광 포획 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 입자를 주기적인 육각형 단일 배열 구조로 만들면 공동 내를 지나가는 빛의 유효 거리가 입사광의 특정 각도에서 동일하게 되므로 각도에 의존 받지 않고 같은 양의 빛을 반사 또는 투과할 수 있다. 즉 본 논문의 4장에서는, 이론적으로 향상된 전류 밀도와 흡수율을 갖는 구형 유전체 입자의 단일 배열 구조를 사용하는 유기 태양전지를 설계함으로써 소자의 투과 색상 각도 독립성과 흡수 향상 가능성을 증명하고 제시하였다.