ITO/Ag 이중층 구조에 의해 증가된 태양복사압을 이용한 압전 에너지 하베스팅 연구

Abstract

The output characteristics of the device of light pressure electric generator (LPEG), which harvests piezoelectric energy using solar radiation enhanced by surface plasmon (SPs), have been improved to increase the possibility of application in real life. Conventional LPEG device was optimized so that surface plasmons can strongly resonate in visible light, but the device's output is still insufficient for practical applications. The near-infrared (NIR) region accounts for more than 50% of the total energy of sunlight reaching the earth’s surface, the power of an LPEG device could be improved by using both visible and NIR light together. The LPEG device was fabricated by forming a crater structure capable of concentrating light on a GaAs (100) substrate and by sequentially depositing layers to form an indium tin oxide (ITO)/Ag/Pb (Zr,Ti)O3(PZT)/Pt/Ti structure. By using an ITO/Ag bilayer that excites surface plasmons in the near-infrared and visible regions, respectively, the solar radiation pressure from the visible to the near-infrared regions was used as an energy source. The LPEG with the ITO layer generates an open-circuit voltage of 295 mV, a short-circuit current of 3.78 μA, and power of 532.3 μW/cm2 under a solar simulator, and The power of the LPEG device incorporating the ITO layer increased by 38% compared to the device without the ITO layer. In addition, by separating the wavelength of sunlight using an optical bandpass filter, the effect of the ITO layer on the electrical output of the LPEG device was analyzed when visible and NIR light was incident. The electric field distribution according to the light wavelength was analyzed through finite-difference time-domain (FDTD) simulation, and it was confirmed that the pressure of the incident light was further amplified by the ITO/Ag bilayer. Finally, the electrical energy harvested from the LPEG device was stored in a capacitor to drive red light-emitting diodes to show real-life applicability.|표면 플라즈몬에 의해 증폭된 태양복사압을 이용하여 압전에너지를 수확하는 light pressure electric generator(LPEG)의 소자의 실생활 응용 가능성을 높이기 위해 출력 특성을 향상시켰다. 기존의 LPEG 소자는 가시광대역의 빛에서의 표면 플라즈몬이 강하게 공명할 수 있도록 최적화하였지만 소자의 출력은 여전히 실생활에 응용하기에는 부족하다. 태양광의 전체 에너지 중 근적외선대역이 50 % 이상을 차지하므로 LPEG 소자의 전력은 가시광선과 근적외선의 빛을 함께 사용함으로써 크게 향상되었다. LPEG 소자는 GaAs (100) 기판에 빛을 집광할 수 있는 crater 구조를 제작하고 ITO/Ag/PZT/Pt/Ti/GaAs 층을 순차적으로 형성하여 제작되었다. 근적외선대역과 가시광대역에서 각각 표면 플라즈몬을 여기시키는 ITO/Ag 이중충을 이용함으로써 가시광에서 근적외선대역까지의 태양복사압을 에너지원으로 이용하였다. ITO 층이 있는 LPEG 소자는 solar simulator하에서 295 mV의 open-circuit voltage, 3.78 μA의 short-circuit current 및 532.3 μW/cm2의 전력을 생성하였는데, ITO 층이 없는 경우에 비하여 전력이 약 38% 증가하였다. 또한, optical bandpass filter를 이용해 태양광의 파장을 분리함으로써 가시광대역과 근적외선대역의 빛이 입사될 때 ITO 층이 LPEG 소자의 전기적 출력에 미치는 영향을 분석하였다. 입사되는 빛의 파장에 따른 전기장 분포는 finite-difference time-domain (FDTD) 시뮬레이션을 통해 분석하였으며, 입사광의 압력은 ITO/Ag 이중층으로 인해 더욱 증폭될 수 있음을 확인하였다. 마지막으로, LPEG 소자에서 수확된 전기 에너지를 커패시터에 저장하여 red light-emitting diodes를 구동하여 실생활 응용가능성을 보였다.