Polymer solar cells have a number of advantages over conventional solar cells such as being flex-ible, printable, portable, and inexpensive production cost, which would be advantageous for practical ap-plications. The polymer solar cells have reached a power conversion efficiency (PCE) of ~11%. However, the incomplete absorption of a thin active layer based on polymer bulk heterojunction limits the full use of the solar spectrum. Parallel tandem structure provides an effective way of enhancing the absorption and therefore the PCE of polymer solar cell. The necessary condition for the parallel tandem solar cells to attain a high PCE is that the common electrodes should have high optical transmittance and electrical conductivity. To meet the condition, comb-shaped common electrodes (CSEs) based on gold and conduc-tivity-enhanced poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonic acid) (PEDOT:PSS) were present-ed as common anodes. Compared to gold thin films, the CSEs improve the optical transmittance of the common anodes significantly with a minor sacrifice of electrical conductivity.
The highly conductive PEDOT:PSS (PEDOT:PSS+DMSO) is a polymer that is solution processable and highly transparent and conductive. The structure of parallel polymer tandem solar cells is ITO/ZnO/P3HT:PC71BM/common anode/PTB7:PC71BM/LiF/Al, where ITO is indium tin oxide, P3HT is regio-regular poly(3-hexylthiophene), PC71BM is [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester and PTB7 is thieno[3,4-b]-thiophene/benzodithiophene. The sheet resistances of common anodes based on PE-DOT:PSS+DMSO, CSEs, silver and gold films are 60.8 Ω/□, 30.9 Ω/□, 14.3 Ω/□ and 14.2 Ω/□, respec-tively. The optical transmittance of PEDOT:PSS+DMSO is much higher than that of CSEs, silver and gold films. As a consequence, the tandem cell containing a common anode based on PEDOT:PSS+DMSO showed the highest PCE of 6.08%, which is 22% higher than the tandem cells containing a common anode based on silver and gold films.
The parallel tandem solar cells were analyzed using an equivalent circuit model, which enabled us to estimate the open-circuit voltage, short-circuit current, fill factor, and PCE of the parallel tandem cells. The theoretical results showed excellent agreement with the experimental ones. The modeling indicated that the optical transmittance of a common anode in parallel tandem solar cells is more influential than the resistance.
인류 문명을 발전시키기 위해서는 전지구적이며, 풍부하고, 안전하며, 무한한 에너지원이 반드시 필요하다. 현재 대부분의 에너지는 화석 연료와 원자력으로 충당되는데, 공해 및 방사능 오염뿐만 아니라 유한한 자원이기 때문에 태양, 풍력 등의 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.
이 중에서 태양광은 무한하며, 깨끗하고, 풍부할 뿐만 아니라 지표면 및 우주에서도 사용할 수 있는 에너지원이다. 태양전지는 태양광을 전기로 바꾸어주는 장치인데, 박막형태를 가지고 있기에 우주선, 자동차, 건축물 등 다양한 장치와 융합이 가능하다. 특히 고분자태양전지는 다른 태양전지에 비해 가볍고, 인쇄가능하고, 유연하기에 그 응용가능성이 무궁무진하다.
다만 고분자태양전지는 아직까지 효율이 상대적으로 낮은데, 이는 고분자 물질의 낮은 태양광 흡수율 때문이 크다. 이를 극복하기 위해 다중접합 구조가 많이 연구되었는데, 병렬연결의 경우 다중접합 구조에서 직렬연결에 비해 장점이 많다. 이러한 병렬 다중접합 태양전지를 제작하기 위해서는 투명하면서도 낮은 저항을 가진 공통 양극의 개발이 필수적이다.
이번 연구에서는 기존의 투명성이 부족한 금속박막양극을 대체하는 2종류의 투명 공통 양극을 개발하였다. 가장 효율적인 공통 양극은 높은 전도성의 PEDOT:PSS 박막을 이용한 것으로, 평균투명도 89% 및 면저항 60 Ω/□ 을 가진다. 이 투명 공통 양극을 이용하여 기존의 금속 공통 양극에 비해 22% 높은 효율을 가지는 병렬 연결된 이중접합 고분자 태양전지를 제작하였다. 가장 우수한 태양전지의 경우 효율 6.08%를 달성하였다. 또한 병렬 연결된 이중접합 고분자 태양전지를 이론적으로 분석하여, 병렬 연결된 이중접합 태양전지의 효율을 예측할 수 있었고, 실제 실험결과와 일치하는 예측결과를 얻을 수 있었다.
