Recent research has shown that a 1D periodic array of V-groove structure laminated on the glass substrate showed effective light trapping and yields large absorption enhancement. Moreover, enhancement is guaranteed for a whole year by considering the annual incident angle variation of $-23.5^\circ < \theta _i< 23.5^\circ$. However, as in case of building integrated photovoltaic (BIPV) system, annual incident angle varies depending on the installation angle and latitude of the region where OPVs are installed and easily stays out of range from $-23.5^\circ$ to $+23.5^\circ$. In this report, we designed light trapping structure that can be adapted to various incident angle ranges; thereby it can be compatible with BIPV system. Using simulation adopting both geometrical ray-tracing and wave-optical transfer-matrix formalism (TMF), we optimized the light trapping structure for the desired incident angle range. And we verified the effectiveness of designed asymmetric structure by applying it to the practical OPV devices.
And we designed series connected tandem device with microcavity structure. Microcavity can be constructed in the top cell of the tandem device by adopting Ag thin film as the recombination contact. By tuning the cavity mode, we can effectively optimize the optical performance of the tandem device. As a result, the red and near infra-red absorption of our tandem device can be significantly enhanced; thereby 9.5% higher $J_{sc}$ compared to the tandem device with doped layers as the recombination contact is achieved via simulation.
유기 태양전지의 비교적 낮은 광 변환 효율은 얇은 광 활성층의 두께로 인한 낮은 광 흡수에 기인한다. 이를 극복하기 위해서 다양한 빛 가둠 기술들이 개발 되어왔다. 그 중 최근에 연구된 1-D V-groove 텍스쳐링은 1년 동안 태양의 위치 변화를 고려한 기하학적 구조의 최적화를 통해 1년 내내 높은 흡수의 증가를 얻을 수 있게 설계되었다. 하지만 V-groove 구조 역시 유기 태양전지가 설치된 곳의 위도만큼 기울여 설치하였을 때만 일년 내내 효과적인 흡수 증가를 얻을 수 있었다. V-groove 구조를 건물의 벽면이나 지붕에 설치하는 건물 일체형 태양광 발전(BIPV)에 적용했을 때에는 입사각이 $\pm 23.5^\circ$ 를 벗어나게 되어서 효과적인 흡수 증가를 얻을 수가 없는데 이 연구에서는 V-groove 구조의 이러한 한계를 극복하기 위해서 $\pm 23.5^\circ$ 를 벗어난 큰 입사각 영역의 빛에 대해서 최적화된 빛 가둠 구조를 설계하였다. 한 쪽 면이 수직면으로 이루어진 비대칭 텍스쳐링 구조를 이용하면 큰 입사각 영역에서도 빛 가둠을 얻을 수 있었고 각각의 입사각 범위에 대해서 효과적인 빛 가둠 구조를 설계하였다. 설계한 구조를 사용해 큰 입사각에 대해서도 빛 가둠 효과를 얻을 수 있음을 시뮬레이션과 실제 소자에 적용을 통해서 확인하였다.
또한 적층형 유기 태양전지의 광흡수 증가를 위해서 재결합층으로 은 박막을 사용함으로써 적층형 태양전지에 마이크로 캐비티 구조를 형성하였다. P 타입 도펀트로 도핑된 MeO-TPD 층을 광 스페이서로 사용하여서 비교적 얇은 광활성층 두께를 가지는 단분자 기반의 유기 태양전지에 대해서도 큰 전기적, 광학적 손실이 없이 마이크로 캐비티를 효과적으로 조절할 수 있었다. 캐비티 모드의 조정을 통해서 적층형 구조의 위층 셀과 아래층 셀의 광 흡수를 효과적으로 조절하여 도핑된 층을 재결합층으로 사용하는 구조에 비해서 9.5% 높은 단락 전류를 얻을 수 있음을 시뮬레이션을 통해서 확인하였다.
