KR102559541B1 - 다기능 태양 전지 및 무선 전력 전송용 유기 광기전 장치 - Google Patents
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Abstract
휴대용 장치에 적용될 수 있는 레이저 전력 수확을 위한 유기 PV 장치 (Organic Photovoltaics)가 개시된다. 본 발명에 따른 유기 PV 장치는 PTB7:PC71BM 기반 단일 접합 또는 PTB7:PC71BM 및 Cy7-T:C60 기반 탠덤 구조인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 유기 PV 장치는 쉽게 가공할 수 있고, 얇고, 가벼우며 유연한 기판에 인쇄될 수 있다. 또한, 투명하게 제작될 수 있으므로 전력 수확 라미네이션 코팅 및 창문에 이용될 수 있다.
Description
본 발명은 유기 광기전(photovoltaic) 장치에 관한 것이다. 상세하게, 레이저 전력 전환을 통해 무선으로 전력을 전송하는데 사용될 수 있는 유기 광기전 장치에 관한 것이다.
레이저 전력 전송은 무선 전력 전송을 위한 실용적인 방안으로 대두되고 있다. 태양 전지를 사용하여 비행 중에 무인 항공기 (UAV)를 유지하는 것이 현재 얼마 동안 연구되었지만 최근에는 레이저를 통해 전력을 전달함으로써 UAV 비행을 지속하는 것으로 입증되었다. RF 전력과 같은 다른 무선 전력 전송 기술에 비해 레이저는 더 큰 에너지를 수신기에 전달할 수 있다. NASA는 또한 우주 탐사선을 위한 레이저 기반 전력 전송 시스템을 제안하였다. 이 시스템은 지구 기반 스테이션에서 탐사선에 전력을 전달한다. 가장 일반적인 레이저 전력 변환 장치는 III-V 기반 광기전 흡수체이다. 이 흡수체는 1550nm 파장에서 작동한다. 그러나 이 장치는 부피가 커서 전력 수신기 시스템의 무게를 증가시킬 수 있다. 응용 레이저 기반 전력 전송이 UAV와 같은 휴대용 장치에 점점 더 유리 해짐에 따라 수신기 장치의 무게와 비용을 고려해야한다. 유기 태양 전지와 같은 박막 태양 전지는 좁은 파장 범위에 좋은 흡수를 제공한다는 점에서 장점이 있다. 이것은 태양광과 같은 광대역 스펙트럼에서 낮은 효율로 이어지지만 LED 또는 레이저와 같은 협대역 스펙트럼에서는 높은 효율을 보인다.
유기 광전지 (OPV)는 또한 반투명하고 비용 효율적이며 용액 공정으로 제조가 가능하다. 이러한 장점으로 인해 저전력 레이저 전력 수신 장치에 OPV의 적용이 적합할 수 있다. 태양광의 흡수를 최대화하려면 서로 다른 밴드 갭 흡수체를 계단식으로 연결하여 탠덤 구조를 형성해야 한다. 이론적으로 무한한 수의 연속 흡수체는 100 % 효율에 도달할 수 있다. 그러나 실제적인 의미에서 탠덤 구조의 전류 불일치와 같은 제한이 있다.
[1] De Santi, et al, 2018. GaN-based laser wireless power transfer system. Materials, 11(1), p.153.
[2] Vincent, P., et al, 2018. Indoor-type photovoltaics with organic solar cells through optimal design. Dyes and Pigments, 159, pp.306-313.
본 발명의 기술적 과제는 레이저를 통해 무선으로 전력의 전송이 가능한 장치를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 PTB7:PC71BM 기반 단일 접합 PV 장치 및 PTB7:PC71BM 및 Cy7-T:C60 기반 탠덤 구조 PV 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 최대 24% 이상의 전력 변환 효율로 무선 전력 전송이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 유기 PV 장치는 투명하여 라미네이션 코팅 및 창문에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유기 PV 장치는 간단한 용액 공정을 통해 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 접합 PV 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 탠덤 구조 PV 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 670nm 파장 정규화 레이저 소스의 파장 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 850nm 파장 정규화 레이저 소스의 파장 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 FDTD 시뮬레이션을 통해 시뮬레이션된 단락 전류 밀도 및 내부 양자 효율(IQE)을 고려한 단락 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 레이저 광원 및 AM1.5G 광원에 대한 산출 전력 변환율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 불투명, 전면 광입사 및 후면 광입사 PV 장치에서 레이저 광원에 대해 시뮬레이션된 단락 전류 밀도를 나타낸 것이다.
도 8은 불투명, 전면 광입사 및 후면 광입사 PV 장치에서 이론적인 최대 전력 변환 효율을 나타낸 것이다.
도 9는 FDTD 시뮬레이션을 통해 얻은 투과 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 탠덤 구조 PV 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 670nm 파장 정규화 레이저 소스의 파장 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 850nm 파장 정규화 레이저 소스의 파장 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 FDTD 시뮬레이션을 통해 시뮬레이션된 단락 전류 밀도 및 내부 양자 효율(IQE)을 고려한 단락 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 레이저 광원 및 AM1.5G 광원에 대한 산출 전력 변환율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 불투명, 전면 광입사 및 후면 광입사 PV 장치에서 레이저 광원에 대해 시뮬레이션된 단락 전류 밀도를 나타낸 것이다.
도 8은 불투명, 전면 광입사 및 후면 광입사 PV 장치에서 이론적인 최대 전력 변환 효율을 나타낸 것이다.
도 9는 FDTD 시뮬레이션을 통해 얻은 투과 곡선을 나타낸 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명의 일 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
항공 응용 분야에서 무선 전력 전송을 위한 레이저 전력 변환 시스템의 활용에 대해서는 거의 연구되지 않았다. III-V 화합물 반도체는 종래의 연구에서 일반적으로 PV (Photovoltaic, 광기전) 전력 변환기로 사용되었다. 본 발명은 유기 흡수체를 PV 전력 변환기로 사용하는 것을 제안한다. 휴대용 장치에 레이저 전력 변환을 적용하려면 PV 모듈이 쉽게 가공 가능하며, 얇고 가벼우며 유연한 기판에 인쇄할 수 있어야 한다.
유기 PV는 위의 모든 장점을 제공하므로 레이저 전력 수확 응용 분야의 잠재적인 후보가 될 수 있다. 또한 투명하게 만들수 있어 전력 수확 라미네이션 코팅 및 창에 사용할 수 있다.
본 발명에서는 670 nm 및 850 nm 파장대의 레이저 전력 수확을 위해 단일 접합 및 탠덤 광기전 구조를 제공한다. 레이저 파장에서 흡수를 최대화하기 위하여 FDTD 시뮬레이션으로 PV 구조를 최적화하였다. 이론적으로 단일 접합 PV의 경우 16.17 %, 탠덤 PV의 경우 24.85 %의 최대 PCE를 얻을 수 있다.
종래의 연구를 통해 OPV는 탠덤 구조에 적합한 후보로 입증되었다. 이중 및 삼중 탠덤 태양 전지는 10% 이상의 효율에 도달하여 탠덤 구조의 서브셀로 OPV를 사용할 가능성을 보여주었다. OPV는 또한 실내 LED 조명 에너지와 같은 저전력 수확을 위해 높은 효율을 보여주었다. 시뮬레이션은 다양한 조건에서 장치의 반응을 연구하는 데 도움이 될 수 있다. 유한 차분 시간 도메인 (FDTD) 시뮬레이션을 사용하여 태양 전지에 최적화된 구조를 광학적으로 모델링 할 수 있다. 이 광학 모델링 방법은 태양 전지 장치의 흡수 효율을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다.
OPV는 좁은 대역 흡수 범위로 인해 반투명한 특징을 나타낼 수 있다. 이 속성을 사용하여 태양광이 상단 투명 전극에 입사되도록 하고 하단 전극에 레이저 소스를 입사시킨다. 본 발명은 670nm 및 850nm 파장에서 레이저 전력 흡수를 위해 최적화된 단일 접합 및 탠덤 OPV 구조를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 단일 접합 PV 장치의 구조를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 단일 접합 PV 장치는 Au 또는 Au/MoO3(몰리브덴 산화물) 중 어느 하나로 선택된 재질인 상단 전극; 상기 상단 전극의 하측에 형성되는 MoO3층; 상기 MoO3층의 하측에 형성되고 PTB7:PC71BM 재질인 광활성층; 상기 광활성층의 하측에 형성되고 ZnO 재질인 광학 스페이서; 상기 광학 스페이서의 하측에 형성되고 인듐 주석 산화물(ITO) 재질인 하단 전극;을 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 탠덤 구조 PV 장치의 구조를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 탠덤 구조 PV 장치는 Au 또는 Au/MoO3(몰리브덴 산화물) 중 어느 하나로 선택된 재질인 상단 전극; 상기 상단 전극의 하측에 형성되고 MoO3층, pMeO-TPD층, Cy7-T:C60층 및 TiO2층을 포함하는 전면 서브셀; 상기 전면 서브셀의 하측에 형성되고 인듐 주석 산화물(ITO) 재질인 중간 전극층; 상기 중간 전극층의 하측에 형성되고 ZnO 재질인 광학 스페이서; 상기 광학 스페이서의 하측에 형성되고 PTB7:PC71BM 재질인 후면 서브셀; 및 상기 후면 서브셀의 하측에 형성되고 MoO3/Au/MoO3 재질인 하단 전극;을 포함한다.
도 1 및 도 2에 각각 도시된 단일 접합 및 탠덤 구조는 Lumerical, FDTD 솔루션 소프트웨어를 사용하여 설계되었다. 태양 전지의 활성층 내에서 레이저의 피크 파장에 전계 강도를 집중시키기 위해 2D 시뮬레이션을 수행하였다. 레이저 소스는 670nm 및 850nm 레이저(단일 접합 OPV의 경우 670nm 레이저, 탠덤 OPV의 경우 670nm 및 850nm 레이저)가 선택되었다.
시뮬레이션에서 사용한 정규화 레이저 소스의 파장 특성은 도 3 및 도 4에 도시되었다. 레이저 소스의 통합 전력 밀도는 AM1.5 G의 통합 전력 밀도를 모방하기 위해 1000 A/m2로 취하였다. 각 층에 대한 복합 굴절률은 실험과 종래 연구를 통해 얻었다.
시뮬레이션 절차 및 설정에 대한 상세한 설명은 Vincent, P., et al, 2018. Indoor-type photovoltaics with organic solar cells through optimal design. Dyes and Pigments, 159, pp.306-313.와 같은 종래의 연구에서 제공되므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다. 본 발명에서는 PTB7:PC71BM 기반 단일 접합 구조와 PTB7:PC71BM 및 Cy7-T:C60 기반 탠덤 구조 PV를 레이저 전력 수확 장치로 제공한다. 상단 전극은 장치를 투명하거나 불투명하게 하기 위해 제어될 수 있다.
이하, 불투명 상부 전극을 갖는 PV 장치는 NTPV (non-transparent photovoltaic)으로 표시한다. 단일 접합 구조의 ITO (Indium Tin Oxide) 전극과 탠덤 구조의 전면 서브셀에 빛이 입사된 PV 장치는 FTPV (front-illuminated transparent photovoltaic)로 표시한다. 단일 접합 구조의 몰리브덴산화물/Au/몰리브덴산화물 (MoO3/Au/MoO3) 전극과 탠덤 구조의 후면 서브셀에 빛이 입사되는 PV 장치는 BTPV (back-illuminated transparent photovoltaic)로 표시한다.
실험1: 단일 접합 PV 장치
PTB7은 약 670nm 파장에서 피크 흡수를 가진다. OPV의 최대 흡수 파장에 따라 670nm 스펙트럼을 갖는 레이저를 사용하였다. PTB7:PC71BM의 활성층 두께는 60nm 두께에서 240nm 두께까지 10nm 스텝 크기로 변경하며 실험하였다. FDTD 시뮬레이션을 통해 시뮬레이션 된 단락 전류 밀도(Jsc,simulated)를 도 5의 (a) 및 도 5의 (c)에 도시하였다. 도 5의 (a)는 AM1.5G 조명에서 Jsc,simulated를 나타내고, 도 5의 (c)는 670nm 레이저 조명에서 Jsc,simulated를 나타낸다. 개방 회로 전압(Voc), 필 팩터(FF) 및 실험적 단락 전류 밀도(Jsc,experiment)는 경험적 피팅 방법에 따라 산출되었다. 내부 양자 효율(IQE)은 100%인 것으로 가정되었다.
경험적 피팅 방법에 따라 산출된 단락 전류 밀도 (Jsc,calc)는 방정식 IQEcalc = Jsc,simulated / Jsc,experiment 및 Jsc,calc = IQEcalc (after curve fitting) * Jsc,simulated 을 사용하여 얻을 수 있다. 이는 PV 장치에서 얻을 수 있는 보다 실용적인 단락 전류 밀도를 반영한다. 산출 전력 변환율(PCEcalc)이 다양한 활성층 두께에 대해 얻어졌다 (도 6의 (a) 및 (b) 참조). 670nm 레이저 소스에서 PCEcalc는 NTPV의 경우 활성층 두께가 70nm 일 때 16.17 % (최대), 최적화된 활성층 두께가 140nm 인 FTPV의 경우 11.82 %, 최적화 활성층 두께가 160nm 인 BTPV의 경우 11.06%를 나타내었다. AM1.5G 조명하에서는 각각 5.4 %, 4.26 % 및 4.05 %를 나타내었다.
실험2: 탠덤 구조 PV 장치
저주파 레이저 소스는 고주파 레이저에 비해 덜 분산되고 투명 레이저 전력 수확 장치에 대한 필요성이 아직 연구되지 않았으므로 Cy7-T:C60 기반 PV셀을 탠덤 구조의 후면 서브셀로 선택하였다. 활성층의 전하 재결합은 Cy7-T의 두께에 크게 의존한다. 본 발명에서 Cy7-T의 두께는 20nm에서 일정하게 유지되었다. 광학 스페이서 두께가 40nm이고 C60 두께가 10nm 일 때 최적화된 구조를 제공하며, 두 층의 두께가 증가되면 장치의 직렬 저항이 증가한다. PTB7:PC60BM을 전면 서브셀의 활성 레이어로 사용하고 Cy7-T:C60을 후면 서브셀의 활성 레이어로 포함하는 탠덤 구조 PV 장치를 제작하였다. 직렬 및 병렬 탠덤 태양광 전지에 대한 Shockley-Queisser 한계를 사용하여 계산된 최대 PCE는 각각 다음 수학식 1 및 수학식 2과 같이 나타난다.
여기서 PCEmax는 최대 전력 변환 효율, Eg1 및 Eg2는 각각 전면 서브셀과 후면 서브셀의 밴드갭, N(E)는 입사 광자속을 의미한다.
PCE에 대한 Shockley-Queisser 한계는 670nm 및 850nm 레이저 소스를 결합하여 조명할 때 병렬 및 직렬 탠덤 구조에 대해 각각 90.45 % 및 61.93 %로 나타난다. 따라서 병렬 탠덤 구조가 레이저 전력 전송 설정에 적합함을 알 수 있다.
FDTD 방법에 따라 시뮬레이션된 병렬 탠덤 구조 PV 장치의 Jsc,simulated를 시뮬레이션하였다. 도 7의 (a) 내지 (c)에서 Jsc,simulated는 PTB7:PC71BM의 두께에 주로 의존하는 것으로 관찰된다. 광학 시뮬레이션을 통해 Cy7-T:C60 PV 셀의 IQE가 79.14 %임을 확인된다. C60 최대 두께가 30nm일 경우 후면 서브 셀의 IQE를 저하시키지 않을 것으로 가정하였다. 탠덤 구조 PV 장치의 Voc는 Voc,tandem = min(Voc of PTB7:PC71BM, Voc of Cy7-T:C60)이다. 탠덤 구조 PV 장치의 단락 전류 밀도 (Jsc)는 Jsc,tandem = Jsc of PTB7:PC71BM + Jsc of Cy7-T:C60으로 계산할 수 있다. 최대 PCE를 찾기 위해 0 직렬 저항과 션트(shunt) 저항을 가정한 탠덤 구조의 이상적인 FF를 사용하였다.
여기서 oc는 정규화 Voc를 의미한다. 탠덤 구조 PV의 Voc는 전면 서브셀의 Voc인 0.75로 제한되기 때문에 FFideal은 85.43%로 나타난다. 위의 변수를 사용하여 탠덤 구조 PV의 최대 효율(PCEmax)을 도 8에 도시하였다. 탠덤 구조 NTPV는 PTB7:PC71BM 두께가 140nm이고 C60 두께가 30nm 일 때 24.85%의 PCEmax를 나타낸다. 탠덤 구조 FTPV 및 BTPV는 각각 16.82% 및 14.46%의 PCEmax를 나타내었다. 전면 서브셀의 활성층 두께는 각각 190nm와 210nm이고 후면 서브셀의 활성층 두께는 각각 30nm와 10nm로 구성되었다. 병렬 탠덤 구조 NTPV, FTPV 및 BTPV에 대한 AM1.5G 조명에서 PCEmax는 각각 9.97%, 7.5% 및 5.7%로 나타났다.
실험3: 평균 가시 투과율
도 9는 FDTD 시뮬레이션을 통해 얻은 투과 곡선을 나타낸다. 단일 접합 FTPV는 37.54 %의 가장 높은 평균 가시 투과율 (AVT, average visible transmittance)을 나타내고(370 nm ~ 740 nm의 파장 범위 내에서 계산됨), 단일 접합 BTPV는 34.29%의 AVT를 나타낸다.
따라서, 이러한 PV 코팅은 창문이나 반투명 전력 수확 라미네이션에 사용할 수 있다. 단, 병렬 탠덤 구조 PV는 낮은 AVT로 관찰되었다. 병렬 탠덤 구조 FTPV의 AVT는 18.48%를, BTPV는 18.59%를 나타냈다.
상술한 바와 같이 레이저 기반 무선 전력 전송 시스템을 위한 저중량 반투명 흡수체로 유기 PV를 제공한다. 단일 접합 PTB7:PC71BM와 PTB7:PC71BM 및 Cy7-T:C60 기반 탠덤 구조 PV의 구조를 최적화하여 670nm 및 850nm의 레이저 파장을 흡수한다.
이론적으로는 불투명 단일 접합 구조의 경우 16.17%, 투명 단일 접합 구조의 경우 11.82%, 불투명 병렬 탠덤 구조의 경우 24.85%, 투명 병렬 탠덤 구조의 경우 16.82%의 최대 전력 변환 효율을 달성하였다.
또한, 투명한 상부 전극을 포함하는 단일 접합 장치는 또한 37.54 %의 최대 AVT를 나타냈다. 투명한 상부 전극을 포함하는 병렬 탠덤 구조 장치는 18.59%의 낮은 AVT 값을 나타냈다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
Claims (8)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- Au(금) 또는 Au/MoO3(금/몰리브덴 산화물) 중 어느 하나로 선택된 재질로 형성되는 상단 전극;
상기 상단 전극의 하측에 형성되고, 850nm의 레이저 파장대에 피크 흡수율을 갖는 유기 고분자 반도체 재질로 형성된 제1 광활성층을 포함하는 전면 서브셀;
상기 전면 서브셀의 하측에 형성되고 인듐 주석 산화물(ITO) 재질로 형성되는 중간 전극;
상기 중간 전극의 하측에 형성되는 광학 스페이서;
상기 광학 스페이서의 하측에 형성되고, 670nm의 레이저 파장대에 피크 흡수율을 갖는 유기 고분자 반도체 재질로 형성된 제2 광활성층을 포함하는 후면 서브셀; 및
상기 후면 서브셀의 하측에 형성되는 하단 전극;을 포함하고,
상기 전면 서브셀 및 상기 후면 서브셀에 입사된 빛으로부터 각각 광기전(photovoltaic) 효과에 의해 각각 기전력을 발생시키는 탠덤(tandem) 구조로 구비되는 것을 특징으로 하는,
무선 전력 전송용 유기 PV(photovoltaic) 장치.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서,
상기 제1 광활성층은, Cy7-T:C60 복합체이고,
상기 제2 광활성층은, PTB7:PC71BM 복합체인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 유기 PV 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 상단 전극은 Au 재질로 형성되어,
불투명 PV 장치(NTPV)로 사용되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 유기 PV 장치.
- 제 4 항에 있어서,
상기 상단 전극은 Au/MoO3 재질로 형성되어,
전면 또는 후면 광입사 PV 장치(FTPV / BTPV)로 사용되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송용 유기 PV 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210045892A KR102559541B1 (ko) | 2021-04-08 | 2021-04-08 | 다기능 태양 전지 및 무선 전력 전송용 유기 광기전 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210045892A KR102559541B1 (ko) | 2021-04-08 | 2021-04-08 | 다기능 태양 전지 및 무선 전력 전송용 유기 광기전 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220139660A KR20220139660A (ko) | 2022-10-17 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20140024013A (ko) | 2011-05-09 | 2014-02-27 | 메르크 파텐트 게엠베하 | 탠덤 광기전 셀 |
-
2021
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Hye Rim Yeom et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2015, 17, 2152(2014.11.27.)* |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20220139660A (ko) | 2022-10-17 |
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