Crystalline silicon presently dominates the photovoltaic (PV) industry, as well as the integrated circuit industry, due to its natural abundance and the existence of well-established technologies and infrastructure based on silicon wafers. However, the cost of producing silicon wafers limits the potential for large-scale adoption of photovoltaics as a replacement for fossil fuel-based electrical generation. Thin film solar cells have the potential to achieve much lower costs, and are developing vigorously.
Among thin film solar cells, polymer solar cells are one promising option. Although they still have lower efficiencies than some alternate thin film technologies, they have shown the most rapid progress over the two decades since they were first suggested. Lightweight, flexible low-cost polymer solar cells could be used in markets and applications where silicon solar cells are impractical. Various types of inorganic nano-crystals (NCs) have been incorporated into polymer solar cells in an attempt to overcome low carrier mobility while retaining the advantages of low-cost fabrication. However most of these NCs contain heavy metal or rare elements that may prohibit their large-scale deployment. Moreover, carrier transport could be hindered by the complex ligands or surfactants surrounding most of these NCs. Additional treatments to remove these ligands may raise further environmental concerns.
Silicon NPs (Si-NPs) deserve careful consideration as solar energy harvesting materials, because Si-NPs are non-toxic and have the inherent advantages of semiconductor NCs, such as band gap tunability and enhanced absorption cross-section that result from quantum confinement effects. Si-NPs have been widely investigated since photoluminescence (PL) of porous silicon was first reported. Ideally, organic-inorganic nanostructure hybrid systems could benefit from the large oscillator strengths of polymers and the high mobility, size-tunable conduction and valence band levels, and other advantages of inorganic semiconductor nanostructures. In this study, hybrid solar cells which take advantage of the complementary functional properties of both polymers and inorganic NPs have approached their full potential.
The Si-NPs were prepared by the laser pyrolysis methods. This method is apt for producing high quan-tity of freestanding Si-NPs comparing to other methods for instance fracturing of porous silicon by ultrasoni-cation, plasma decomposition of silane. During the laser pyrolysis, it is able to control of size and crystallinity of Si-NPs by changing hydrogen gas flow rate.
The Si-NPs inks could be prepared by using several solvents. With Si-NPs inks, ITO/PEDOT:PSS/Si-NPs/PCBM/Al structured solar cell was fabricated. The devices showed evident photocurrent. Though the performances are inferior to that of commercialized a-Si:H thin film solar cells, it is worthy of notice that the Si-NPs solar cells were demonstrated by solution processes within a excitonic solar cell structures for the first time.
As-produced Si-NPs are neither photoluminescent nor directly useful materials for solar cells. The size of as-produced Si-NCs was larger than the Bohr exciton radius of silicon (~4.9 nm) and these Si-NPs were surrounded by a thin layer of native oxide. To achieve desired coupling between polymers and Si-NPs within the hybrid layer, free-standing Si-NPs were freshly etched and used without attaching any ligands. The ITO/PEDOT:PSS/P3HT+PCBM+Etched Si-NPs/Al structured solar cells were suggested and showed enhanced performance comparing conventional polymer solar cells due to charge transfer and coupling of optical excitation with polymers and Si-NPs. In addition to synergetic effect of both polymers and Si-NPs, high stability in air condition was achieved us-ing ZnO NPs ETL. The hybrid solar cells with ZnO NPs ETL showed most stable performance due to inherent stability of ZnO layer along with passivation effects of Si-NPs within the active polymer layer.
It has been desired to take advantages of both polymer and inorganic materials in photovoltaic fields. In this study, the potential of hybrid solar cells has been exploited using Si-NPs produced by laser pyrolysis in terms of eco-friendly materials and large scale production along with inherent advantages of polymer materi-als.
본 연구에서는 유기 고분자 물질과 실리콘 나노 입자를 이용한 태양전지에 관한 연구이다. 최근 고분자 공학의 발전으로 빠르게 개발되고 있는 유기 고분자 태양전지는 많은 장점을 가지고 있다. 유기 고분자의 특징인 용액 공정이 가능함과 박막으로도 빛을 잘 흡수하는 특징으로 유기 고분자 태양전지는 얇고, 가볍고, 유연하고, 저렴한 태양전지를 만들 수 있다는 장점을 가지고 있으나, 고분자의 전기적 특성이 무기물 반도체에 비해 낮고 내구성이 좋지 못한 한계성을 가지고 있다.
이러한 유기 고분자 태양전지의 한계성을 극복하고자 실리콘 나노 입자와의 하이브리드 태양전지를 제안하였다. 현재 많은 연구가 보고되고 있는 무기물 나노 입자는 카드뮴, 납 등의 유해한 물질과 희귀 원소를 포함할 뿐만 아니라 그 생산량도 적고 적절한 표면처리의 과정이 복잡한 단점이 있다. 본 연구에서는 사람과 환경에 무해한 실리콘 나노입자를 대량생산, 연속공정이 가능한 레이저 합성법을 통하여 유기 고분자 물질과 함께 태양전지를 개발하였다.
제조된 실리콘 나노 입자는 크게 두 가지 방법으로 태양전지 제작에 활용되었다. 양자제한 효과가 일어나지 않는, 바로 생산된 실리콘 나노 입자는 그 크기가 대략 5-10 nm 로, 이를 광흡수층으로 사용하였다. 실리콘 나노 입자는 잉크화하여 ITO/PEDOT:PSS/Si-NPs/PCBM/Al 구조의 태양전지를 모두 용액공정으로 제작하였으며, 뚜렷한 태양전지 효과를 확인 할 수 있었다. 현재 상용화된 무기 박막 태양전지 보다 매우 낮은 효율을 제시하고 있으나, 앞으로 효율 개선이 크게 기대되고 무기물 반도체 물질을 용액공정으로 태양전지에 적용하여 앞으로 태양전지 시장에서 크게 요구되는 원가절감의 가능성을 크게 열어 둘 수 있었다.
또한 제조된 실리콘 나노 입자를 식각 공정을 통하여 그 크기를 조절 할 수가 있었고, 그 크기에 따라 자외선의 흡수 시 각기 다른 해당 파장의 PL을 발광하는 실리콘 나노 입자를 얻을 수 있었다. 이러한 실리콘 나노 입자는 유기 고분자 태양전지와의 접목하여 하이브리드 태양전지를 제시하였다. ITO/PEDOT:PSS/P3HT+PCBM+Si-NPs/Al 구조를 갖는 하이브리드 태양전지는 기존의 유기 고분자 태양전지보다 향상된 성능을 나타내 주었고, 이는 식각으로 표면이 처리된 실리콘 나노 입자와 고분자의 상호 작용으로 알 수 있었다. 또한 대기에서 안정한 ZnO 전자 수송 층이 더해진 ITO/PEDOT:PSS/P3HT+PCBM+Si-NPs/ZnO/Al 구조의 태양전지는 전자 수송 층의 효율 개선 효과와 함께 대기에서의 매우 뛰어난 안정성을 보여주었다. 실리콘 나노 입자와 ZnO의 passivation 효과로 ITO/PEDOT:PSS/P3HT+PCBM/ZnO/Al 구조의 태양전지보다 더 좋은 안정성을 나타내주었다. 즉, 실리콘 나노 입자와 고분자 유기물 하이브리드 태양전지를 개발하여 보다 높은 효율과 높은 안정성을 확인하였다.
본 연구에서는 유기 고분자 물질의 장점과 무기물 실리콘 나노 입자의 장점을 갖는 하이브리드 태양전지를 개발하였으며, 개발된 태양전지는 개선된 효율과 안정성을 보여주었다. 또한 실리콘 나노 입자를 잉크화하여 용액공정으로 박막의 무기물 태양전지 개발 가능성을 제시하여 주었다.
