In this report, plasmonic effects in organic photovoltaic cells are systematically analyzed using the size-controlled silver nanoparticles (AgNPs, diameter : 10~100nm), which were incorporated into the anodic buffer layer, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrenesulfonate (PEDOT:PSS). We found that the optical property of AgNPs tuned by the size had considerable influence on the device performances. We verified the size-dependent scattering properties of the AgNPs with visualized AgNPs by NSOM (Near-field optical microscope) and analytic optical simulation. In addition, we found that the external quantum efficiency (EQE) was significantly enhanced near the LSPP with the absorption enhancement due to the plasmonic scattering effect. Significant EQE reduction when the sizes were bigger that 70nm caused by back scattering effects. The power conversion efficiency (PCE) approaching 7.6% was achieved from 6.4% of control devices in poly(N-9 -hept-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole) (PCDTBT) : [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC70BM) based-OPVs with AgNPs (diameter : 67nm) embedded. Finally, we analyzed the origin of plasmonic scattering effects by comparing experimental results and optical simulations and suggested how to utilize the LSPP of MNPs as an optical engineering tool in OPVs.
본 연구에서는 다양한 크기의 은나노입자를 정공이동층인 PEDOT:PSS층에 도입해 제작한 유기태양전지의 플라즈몬 효과를 체계적으로 분석했다. 우리는 크기에 따라 바뀌는 은나노입자의 광학적 특성이 태양전지의 성능에 큰 영향을 끼친다는 것을 발견했다. 우리는 광학 시뮬레이션과 NSOM을 이용해 크기에 의존한 산란 특성을 밝혀냈다. 뿐만 아니라 우리는 외부양자효율과 빛 흡수가 플라즈몬 산란 효과에 의해 LSPP 근처에서 크게 증가하는 것을 알 수 있었다. 후면 반사에 의해 70나노미터 이상의 나노입자는 EQE가 떨어지는 것을 확인했다. 광변환 효율은 PCDTBT:PC70BM 태양전지를 이용해 6.4%에서 7.6%까지 67nm짜리를 이용해 증가시킬 수 있었다. 마지막으로 우리는 플라즈몬 산란 효과의 근본적 원인을 실험 결과와 광학시뮬레이션을 통해 분석하고 금속나노입자의 LSPP특성이 유기태양전지 내에 광공학적 도구로서 어떻게 이용될 수 있는지 제한할 수 있다.
