Nanostructured anti-reflective thin films with bioinspired design for perovskite solar cells : enhancing light harvesting efficiency
- 주제(키워드) Bioinspired anti-reflective films , Perovskite solar cells , Nanostructured surfaces , Flexible substrate , Gradient refractive index , Sticker-type films , Perfluoropolyether (PFPE)
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 강성민
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082437
- UCI I804:11029-000000082437
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
Perovskite solar cells have achieved power conversion efficiencies exceeding 26%, yet optical losses from substrate-air interfacial reflections limit further performance improvements. Traditional anti-reflective coatings face critical limitations including substrate damage during deposition, incompatibility with flexible devices, and limited refractive index control. This thesis develops bioinspired sticker-type anti-reflective films through three progressive architectures addressing these challenges for both rigid glass and flexible polymer substrates. First, sticker-type ultra-thin perfluoropolyether (PFPE) AR (SUPA) films with the lowest refractive index (n = 1.34) among nano-patternable polymers achieve 98.43% transmittance. The 20 μm architecture provides exceptional mechanical compliance, reducing perovskite strain during bending while enabling conformal substrate adhesion. Rigid perovskite solar cells improve to 24.31% efficiency while flexible devices reach 20.05% surviving 10,000 bending cycles. Second, sticker-type multi-layer AR (SMAR) films overcome adhesion limitations by separating optical and adhesive functions through PFPE-polydimethylsiloxane (PDMS) integration. Ethanol-assisted fabrication enables reliable production and unprecedented reusability through 10,000 detachment-reattachment cycles. Flexible perovskite solar cells advance to 22.61% efficiency with transmittance enhancements reaching 5.76% on polyethylene naphthalate (PEN) substrates. Third, glasswing butterfly-inspired sticker-type multi-layer AR (GSMA) films maximize flexible device performance through optimization for specific substrate. Dual gradient index transitions achieve 6.17% transmittance enhancement on indium tin oxide (ITO)/PEN. Flexible perovskite solar cell efficiency improves to 22.72%, narrowing the efficiency gap. This progressive development from ultra-thin freestanding films through multi-layer structures to substrate optimized both- sided designs establishes a comprehensive approach for bioinspired optical engineering in flexible perovskite solar cells.
more초록(요약문)
페로브스카이트 태양전지는 26%를 넘는 광전변환효율을 달성했으나 기판과 공기 계면에서 발생하는 반사 손실이 추가적인 성능 향상을 제한하고 있다. 기존 반사방지 코팅 기술은 증착 공정에서 기판이 손상되고, 유연 태양전지 소자에 적용하기 어려우며, 재료의 굴절률 조절 범위가 제한적이라는 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 생체모사 스티커형 반사방지 필름을 개발하였으며, 딱딱한(rigid) 유리 기판과 유연 고분자 기판 모두에 적용할 수 있는 세 가지 구조를 단계적으로 제시하였다. 먼저, 나노패턴이 가능한 고분자 중 가장 낮은 굴절률(n = 1.34)을 갖는 PFPE를 이용하여 초박막 자립형(freestanding) 필름을 제작하였고, 98.43%의 투과율을 달성하였다. 20μm 두께로 제작된 이 필름은 우수한 기계적 유연성을 제공하여 굽힘 변형 시 페로브스카이트 층의 응력을 완화하고 기판에 부드럽게 접착된다. 딱딱한 페로브스카이트 태양전지의 효율은 24.31%로 향상되었으며 유연 소자는 20.05%의 효율을 나타냈다. 다음으로, PFPE와 PDMS를 결합한 다층 스티커형 필름을 개발하여 광학 기능과 접착 기능을 분리함으로써 접착력 문제를 해결하였다. 에탄올 보조 공정을 통해 안정적인 제작이 가능하였고 10,000회의 반복적인 부착 및 탈착에도 성능이 유지되는 재사용성을 확인하였다. 유연 페로브스카이트 태양전지의 효율은 22.61%로 향상되었으며 유연 기판에서 5.76%의 투과율 증대 효과를 나타냈다. 마지막으로, 유리날개나비(glasswing butterfly)의 날개 구조에서 영감을 받아 양면에 나노구조를 형성한 필름을 개발하고 유연 기판에 최적화하였다. 양면 점진적 굴절률 구조를 통해 ITO가 코팅된 유연 기판에서 6.17%의 투과율 증대를 달성하였으며 이는 상용 반사방지 필름 성능의 두 배에 해당한다. 유연 페로브스카이트 태양전지의 효율은 22.72%로 향상되었고 딱딱한 소자와의 효율 격차가 줄어들게 되었다. 본 연구의 단계적 발전은 생체모사 광학 설계를 위한 종합적인 방법론을 제시하며 유연 소자와 딱딱한 소자를 구분하는 주요 광학적 한계를 표적 설계를 통해 해결할 수 있음을 입증하였다. 또한, 유연 태양전지가 딱딱한 태양전지와 유사한 수준의 성능에 도달할 수 있는 가능성을 보여주었다.
more목차
Contents i
List of Tables iv
List of Figures v
Nomenclature xv
Abstract xix
1. Introduction 1
1.1 Background 1
1.2 Current state and limitations 4
1.3 Research objectives 8
1.4 Thesis organization 10
2. Fundamentals of bioinspired anti-reflective structures 11
2.1 Theoretical background of anti-reflective nanostructures 11
2.2 Moth-eye structure: from nature to technology 25
2.3 Design for polymer-based anti-reflective films 35
2.4 Experimental validation and performance measurements 39
2.5 Summary 59
3. Ultra-thin freestanding PFPE films 61
3.1 Introduction 61
3.2 Design of ultra-thin PFPE films 63
3.3 Fabrication and film characterization 80
3.4 Optical performance 83
3.5 Application to perovskite solar cells 92
3.6 Mechanical durability 99
3.7 Summary 103
4. Multi-layer anti-reflective films 104
4.1 Introduction 104
4.2 Design and optimization of multi-layer structure 106
4.3 Fabrication of multi-layer films 117
4.4 Optical and mechanical characterization 124
4.5 Environmental stability and practical durability 134
4.6 Application to flexible perovskite solar cells 136
4.7 Summary 140
5. Both-sided multi-layer anti-reflective films 141
5.1 Introduction 141
5.2 Glasswing butterfly-inspired design 144
5.3 Theoretical analysis 148
5.4 Fabrication of both-sided nanostructured films 153
5.5 Optical and mechanical characterization 156
5.6 Application to flexible and rigid perovskite solar cells 165
5.7 Summary 174
6. Conclusions and future work 175
6.1 Summary of research achievements 175
6.2 Contributions and significance 177
6.3 Future work 178
References 179
