As energy consumption around the world increases exponentially, and environmental issues are emerging, research into alternative energy sources is being actively conducted. In particular, the organic solar cell has been attracting attention as one of the solar cell technology, having a low cost, flexibility, semitransparent characteristics. However, semitransparent organic solar cells (ST-OSCs) don’t absorb light as much as they are transparent, so ST-OSCs always show trade-off relationship between transmittance and efficiency. In addition, since organic materials are vulnerable to oxygen and moisture, an encapsulation structure that prevents oxygen and moisture is essential. In this study, the encapsulation structure, which is essential for organic solar cells, was used to increase the efficiency while controlling the transmittance of the ST-OSCs.To make color control film (CC-barrier foil), low and high refractive index layers were deposited on the encapsulation film to form a 1-D photonic crystal, which can be designed to reflect the desired wavelength band and transmit the remaining wavelength bands depending on the thickness of each layer. It was. Designed to reflect R, G, and B, respectively, and to make the color adjustment layer with the maximum transmission of 550nm to make it look brightest to human eyes. When the color control film is applied to the upper layer of the semi-transparent organic solar cell, the light in high reflectance region is reflected again to increase the efficiency, and the light in high transmission region is preserved by transmitting the light.To realize the flexibility, which is an advantage of the organic solar cell, CC-barrier foil was applied to the flexible substrate to have a wide form factor. Among the materials constituting the 1-D photonic crystal, ZnS and LiF, in particular, LiF, when applied to a flexible substrate, exhibited physically brittle characteristics, thereby replacing the low refractive index material with BmPyPb, an organic material, to produce a color control film. Through this, the flexible color control film could be applied to the flexible ST-OSCs to produce high efficiency and high transmittance, and the reliability and bending test showed that the mechanical properties were better when the encapsulation structure was obtained. In addition, a metal cavity structure using Al$_2$O$_3$ was used to improve the barrier properties of the CC-barrier foil. As the thickness of Al$_2$O$_3$ is changed, color control of CC-barrier foil was simply done, and by applying to ST-OSCs, it could retain 91.5% of the initial efficiency for more than 30 days even in an accelerated environment(27°C, 90% RH) proving excellent barrier property. This study is expected to be an example to show how to increase the reliability and efficiency of ST-OSCs practically.
전 세계의 에너지 소비가 기하 급수적으로 증가하며, 환경 문제가 대두됨에 따라 대체 에너지원에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 유기 태양전지 기술은 낮은 단가와 유연함, 반투명한 특성을 가지며 태양전지 기술 중 하나로서 주목을 받고 있다. 그러나 반투명 태양전지는 투명한 만큼 빛을 흡수하지 않기 때문에 불투명 태양전지보다 항상 낮은 효율을 보이며, 투과율과 효율은 항상 트레이드 오프 관계에 있는 것과 같은 원리이다. 또한 유기물은 산소 및 수분에 취약한 특성이 있어 산소 및 수분을 막아주는 봉지구조가 필수적이다. 본 연구에서는 유기 태양전지에 필수적인 봉지구조를 활용하여 반투명 유기 태양전지의 투과율을 최대한 보존하는 동시에 낮은 효율을 증가시키는 것을 목표로 하였다.봉지 필름에 낮은 굴절률과 높은 굴절률을 가지는 층이 교차로 증착되어 1-D Photonic crystal 형태가 만들어졌고, 이는 각 층의 두께에 따라 원하는 파장대역은 반사를 하며, 나머지 파장대역은 투과를 하도록 설계가 가능하였다. 각각 R, G, B를 반사할 수 있도록 설계하였고 또한 사람 눈에 가장 밝아보일 수 있도록 550nm의 투과를 최대로 하여 색상 조절 층들을 만들어 비교하였다. 색상제어필름을 반투명 유기 태양전지의 상부층에 접합하게 되면, 반사가 높은 파장대역에서는 태양전지에서 흡수하지 못한 빛을 다시 반사시켜 효율을 증가시키고 반사가 낮은 파장대역에서는 빛을 투과시켜 투과율을 보존하였다. 효율 증가 효과는 특히 Face-seal 형태의 봉지구조를 가질 때 최대로 얻을 수 있으며, 색상제어필름의 색에 따라 전체 구조의 색상 제어가 가능하였다.색상제어필름은 여러 종류의 광활성층에 적용해본 결과 효율 증가 및 색상제어 특성을 보였으며, 유기 태양전지의 특장점인 유연한 태양전지에도 색상제어필름을 적용하여 넓은 폼팩터를 갖고자 하였다. 이전의 1-D photonic crystal을 구성하는 물질인 ZnS, LiF 중에서도 특히 LiF는 유연 기판에 적용하였을 때, 물리적으로 부서지는 특성을 보여 낮은 굴절률 물질을 유기물인 BmPyPb로 대체하여 유연한 색상제어필름을 구현하였다. 이를 통해 반투명 유연 태양전지에 유연 색상제어필름을 접합하여 높은 효율 및 높은 투과도를 가지는 반투명 유연 태양전지를 제작하였으며, 굽힘 테스트를 통해 봉지구조를 가질 때 더 좋은 기계적 특성을 보임을 확인하였다. 추가적으로 색상제어필름의 배리어 특성을 높이기 위하여 Al2O3를 사용한 metal cavity 구조를 활용하였다. Al2O3의 두께를 바꾸어 줌에 따라 여러 색상을 나타내는 색상제어필름이 간단하게 제작 가능하였으며, 가속 환경에서도 30일 이상 초기효율의 91.5%를 유지하며 훌륭한 배리어 특성까지 동시에 가짐을 확인하였다. 본 연구를 통해 실용적으로 반투명 유기 태양전지의 신뢰도 및 효율을 높이는 방법을 보여주는 예시가 될 것으로 생각한다.
