효율 17.29% 유기 태양전지

중국의 연구자들이 용액 공정으로 유기 태양전지를 제조하여 효율 17.29%으로 세계 신기록을 달성했다. 

셀은 2가지 다른 정션을 이용한 탠덤 구조이다. 전면 셀은 300~720nm을 흡수하는 고밴드갭 활성층과 후면 셀은 720~1000nm을 흡수하는 저밴드갭 활성층을 한덩어리로 적층했다. 탠덤 구조의 특성상 전체 Jsc는 두 셀 중 나쁜 Jsc를 따라가기 때문에 전체 Jsc를 고려한 각 셀에 대한 이상적인 동작점을 찾는 것이 중요하다. 

셀 구조와 물질은 다음과 같다. 

•Ag

•MoOx

•PBT7-Th:06F-4F:PC71BM (저밴드갭 정션)

•ZnO(중간층)

•M-PEDOT (폴리머 전도체, 중간층)

•PBDB-T:F-M (고밴드갭 정션)

•PFN-Br (공액 고분자 전해질 전자 계면층)

•ZnO

•ITO

광활성층의 선택은 반 경험적 모델에 의해 이루어졌고, 그들에 따르면 이론적으로 효율 20%가 가능하다고 한다. 

셀 수명 예비 테스트 결과, 166일 후 효율은 단지 4%가 줄었다. 그들은 앞으로 수명에 대한 체계적인 실험과 더불어 효율 향상을 위해 새로운 재료 디자인을 지속할 것이다. 

참고: https://www.electronicsweekly.com/news/research-news/17-3-organic-solar-cell-efficiency-record-2018-08/

솔라 윈도우가 전통적인 창을 진화시키다

최근 NREL 그룹이 솔라 윈도우 효율 향상에 상당한 돌파구를 마련했다. 그들이 개발한 솔라 윈도우를 SwitchGlaze라고 부른다. 

그들은 열변색을, 온도 변화에 의해 색이 변화는 물질의 특성, 이용하여 투명 유리를 착색시키고 난 후 착색된 유리에서 태양광을 전기로 변환시켰다.  

그들은 페로브스카이트와 단일벽 탄소 나노튜브를 이용했으며, 변색은 소자에 흡수되는 CH2NH3 분자에 의해 구현된다. 태양광이 소자를 달구면, 분자는 쫓겨 나가고, 소자는 어두워진다. 태양이 빛나지 않으면, 소자는 다시 식고, 분자는 윈도우 소자에 흡수되고 윈도우는 투명해진다.

솔라 윈도는 뭔가 새롭고 흥미 진지한 것을 시장에 제공할 것 같았지만 수 십년간 별 주목을 받지 못했다. 초기 시도는 완전히 불투명한 상용 태양전지를 윈도우와 차양에 결합하는 것이었다. 그 다음은 박막 태양전지 기술 개발로 인해 반투명한 디자인 뒤따랐다. 마지막 기술은 완전히 투명하고 적외선을 흡수하는 디자인인다. 

NREL의 솔라 윈도우가 독특한 이유는 다음과 같다. 

1. 일반 유리처럼 보인다. 

SwitchGlaze 윈도우는 윈도우를 통과한 태양광의 일부를 흡수하고 전기로 변환시킨다. 윈도우는 태양전지로서 역할을 하고 현대 건축 디자인에 유연한 청정 에너지 솔루션을 제공한다. 

2. 온도 변화에 의해 스위칭된다.

SwitchGlaze 솔라 윈도우는 온도가 따뜻한 온도일때, 특히 태양이 빛나는 뜨거운 날일때, 착색되도록 디자인되어 있다. 착색 상태가 되면, SwitchGlaze 윈도우는 상용 지붕형 태양전지 패널이 하는 것 처럼 태양광을 흡수하고 전기로 변환시킨다. 

3. 온도변색이다. 

SwitchGlaze 윈도우는 온도 촉발 열변색 착색을 이용한다. 이것은 태양광의 부분적 흡수를 가능케하여 윈도우가 효율 좋은 태양전지가 되게 한다. 효율은 11.3%이고 상용 지붕형 태양전지의 효율은 대충 20%이다. 

4. 가격 경쟁력이 좋다.

SwitchGlaze 태양전지 층을 일반 윈도우에 부착하는 비용은 크지 않을 것으로 예상하고 솔라 에너지를 통한 자금 회수에 의해 상쇄될 것이다. 일반 지붕형 태양전지 패널의 경우  패널을 인캡슐하는 유리와 투명 금속으로 인해 비싸다.

5. 진화중인 기술이다. 

빌딩 디자인은 끊임없이 정적에서 동적으로 진화하고 있다. 동적인 기술은 빌딩 효율 향상과 현장 에너지를 제공하기 위해 태양광을 이용한다. 

참고: https://www.nrel.gov/news/press/2017/nrel-develops-switchable-solar-window.html

Cascade 유기 태양전지의 기록적인 전압 손실 감소

유기 태양전지(Organic Solar Cells, OSCs)의 반투명 특성은 빌딩의 스마트 창으로 응용을 가능케 한다. 이는 자발적인 에너지 생산 빌딩 구축에 효과적인다. 

일반적인 OSCs는 전자 도너와 전자 업셉터 역할을 하는, 상용 p-n 접합 태양전지와 대략 동등한, 2개의 강한 광활성 물질인 구성되어 있다. 

  OSCs가 광을 흡수하면 전자와 홀의 결합 쌍인 exiton이 생성되고, 도너와 업셉터 사이 계면에서 자유 전하 캐리어가 분리된다.

현재까지 OSCs의 효율은 13% 정도인데 상용 Si 태양전지에 비해 한참 모자란다. OSCs 효율 제한에 가장 큰 인자는 흡수된 포톤 에너지와 전압 사이의 변환이 나쁜 것에 관계가 있다. 

태양전지는 태양전지의 광학 밴드갭 보다 큰 에너지를 갖는 포톤을 일반적으로 흡수하고, 이상적으로는, 흡수된 포톤 에너지는 개방 전압으로 완전히 변환된다; 개방 전압은 소자로 부터 뽑아낼 수 있는 최대 전압이다. 하지만 이는 열역학적으로 불가능하고 과도한 자유 전하 캐리어 재결합에 의해 Voc를 훨씬 낮은 값으로 떨어뜨린다. 

OSCs는 높은 전하 캐리어 재결합비로 인해 Eg와 Voc 사이의 오프셋은 0.8~0.9V로 높다. 이 심한 전압 손실은 OSCs 효율을 30~40% 감소시킨다.   

TU Dresden의 연구자들이 OSCs 소자 아키텍처를 엔지니어링하여 자유 전하 캐리어 재결합을 현저히 감소시켰다.

그들의 OSCs 아키텍처는 도너와 업셉터 사이에 제3의 물질을 끼워 넣어 cascade 구조를 만든 것인데, 두 물질 사이의 계면의 물리적 컨텍을 줄여 자유 전하 캐리어 재결합을 줄일 수 있었다. 

아이디어는 간단하다: 전하가 발생하는 도너와 업셉터 계면은 태양전지 내에 있고, 광생성 자유 전하 캐리어가 만나고 재결합이 동시에 있을 수 있다. 따라서 계면을 감소하면 재결합 확률 또한 줄어들 것이다. 

연구자들은 일련의 중간층 물질, 제 3의 물질, 을 조사했고, Voc와 PCE가 증가하는 것을 시연했다. Cascade OSC를 위해 저분자 유기 분자 alpa-sexithiophene, chloroboron subnaphtalocyanie, 그리고 chloroboron subphtalocyanine을 광활성 물질로 적용하여 Voc를 0.98V에서 1.16V로 0.18V 증가시켰다. 이 인상적인 향상은 비방사 재결합의 감소에 기인하고 전기발광의 양자 효율이 상당히 향상된 것을 암시한다. 

더우기, 전압 최적화는 포톤-전자 변환 효율과 결합되어야 한다. 포톤-전자 변환 효율은 태양전지의 흡수 스텍트럼 에지의 고전류 기여 포톤에 일때 79%로 높기 때문이다. 

평가된 태양전지의 전체 전압 손실은, Eg - Voc 오프셋, 0.58V로써 보고된 OSCs에서 가장 낮고 전하 분리를 위한 최소 driving force가 10mV 보다 낮다는 것을 알 수 있다. 

참고: https://sciencetrends.com/record-low-voltage-losses-efficient-cascade-organic-solar-cells/

그래핀이 페로브스카이트 태양전지 효율을 증가시키다

Florence 대학(이탈리아) 과학자들은 그래핀이 도핑된 다공성 TiO2(G+mTiO2)과 Li가 도핑된 그래핀 산화물(GO-Li) 계면층으로 이루어진 전자수송층(ETL)을 개발하여 페로브스카이트 셀의 캐리어 재결합과 결함 밀도를 감소시켰다. 

그래핀 산화물이 페로브스카이트 셀에 이미 많이 연구되었지만 본 연구에서와 같이 광학적 측정을 도입해서 셀 특성을 평가한 것은 처음이다.  

흡수 계수 분산을 이용한 광학적 측정은 감응층인 CH3NH3PbI3층 모폴로지를 두께를 따라 측정함으로써 G+mTiO2와 GO-Li로 이루어진 ETL 안에 임베디드된 CH3NH3PbI3가 매운 좋은 결정 품질을 가진다는 알 수 있었다.

참고: https://www.graphene-info.com/graphene-increase-efficiency-perovskite-solar-cells

페로브스카이트 태양전지 안정성 향상

페로브스카이트 태양전지는 수분 조건에서 쉽게 분해되어 안정성이 낮은 것이 상용화에 큰 걸림돌이다. 

UNIST와 KIRT 연구자들은 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시키기 위해 그래핀의 C을 F로 대체하여 C-F 결합을 만들어 “가장자리에 선택적으로 F가 기능화하는 그래핀 나노판”(edged-selectively fluorine functionalized graphene nano platelets(EFGnPs-F)을 만들었다. 이 나노판은 페로브스카이트 활성층 전부를 덮고 물의 진입을 막는 역할을 하고 금 전극을 대체하는 효과가 있다. 

C-F 결합에 의한 fluorocarbons은 테프론과 같이 초소수성 특성으로 잘 알려져 있어 수분 침투를 막을 수 있는 것이다. 

그들의 EFGnPs-F가 적용된 페로브스카이트 태양전지는 공기 중에 30일 이상 봉지없이 노출시켰을 때 초기 성능 대비 82%의 안정성을 보였다. 

참고: https://phys.org/news/2017-10-highly-stable-perovskite-solar-cells.html

나비 날개로 부터 태양전지 효율 향상

남아시아와 서남아시아가 원산지인“Common rose”나비의 검은 날개가 태양전지 효율 향상에 큰 영감을 줬다. 이 나비는 몇개의 붉고 하얀 반점에 대부분 검은색 날개를 갖고 있다. 날개는 매우 작은 구조로 덮혀 있고, 이 구조는 다양한 각도와 넓은 파장에 걸쳐 태양 에너지를 수확할 수 있게 해주어 높은 체온을 유지하게 하고 외관을 조절하는데 도움을 준다. 다양한 각도와 넓은 파장에 걸쳐 태양광을 흡수하는 것은 박막 태양전지에서도 필요하다. 

California Institute of Technology와 Karlsruhe Institute of Technology (KIT) 연구자들은 나비 날개에서 영감을 얻어 박막 태양전지의 효율 향상 연구를 했다. 

그들의 연구는 나비 날개의 비늘의 작은 구조를 이해하는데 초첨을 맞췄다. 이 구조의 크기는 나노에서 마이크로에 걸쳐있다. 예전에 과학자들은 이들 구조가 주기적이라고 생각했었는데 최근에 약간 무질서하다는 것이 밝혀졌다. 이 무질서는 넓은 각도와 넓은 파장에 걸쳐 광흡수하기에 더 좋다. 

  

우선 과학자들은 나비의 검은 날개를 주사전자현미경으로 세밀하게 관찰했다. Cross-rib으로 연결된 비늘의 길이 방향을 따라 주기적인 능선을 볼 수 있었다. 작은 구멍이 능선과 cross-rib 사이에 있고 크기는 램덤하다. 

나비 날개의 일부 영역은 좀 더 검은데 구멍의 밀도와 관련 있다는 것에 주목했다. 이것은 구멍의 밀도가 광 흡수 능력과 상관관계가 있다는 것을 뜻한다. 또한 낮은 구멍 밀도를 갖는 영역은 기계적 안정적에 더 큰 역할을 하는 것으로 들어났다. 구멍의 밀도는 효율적인 광흡수와 날개 구조를 지지하는 것 사이에 균형 잡기를 반영한다. 

다음 단계로 나노 구멍의 광흡수에 대한 영향을 조사하기 위해 3차원 모델을 만들었다. 평탄하고 패턴이 없는 구조와 검은 나비의 날개와 같은 구조로 각각 만들어진 동일 물질과 동일 부피의 두판을 고려했다. 

빛을 판에 비추었을 때 패턴된 판은 더 넓은 파장 영역에 걸쳐 상당히 많은 광을 흡수했다. 이는 빛의 파장이 어떻게 패턴의 크기와 상호작용하는지 보여 준다. 

두드러진 광흡수는 다단계 시스템에서 기인하다. 맨 먼저 빛이 나노구멍과 능선에 의해 모아지고 일부가 흡수된다. 그런 후 밑으로 통과된 모든 빛은 밑에 있는 물질의 층에 의해 흡수될 수 있는 두번째 기회를 얻는다. 

나비로 부터 배운것을 박막 흡수체에 적용하기 위해 연구자들은 태양전지에 일반적으로 사용 되는 물질로 4가지 나노구멍 배열을 시뮬레이션 했다. 

- 패턴안된 판(Reference)

- 모든 구멍이 균등하게 이격되어 있고 크기가 같은 주기적이고 정렬된 배열

- 모든 구멍이 균등하게 이격되어 있으나 크기 다른 주기적이고 요동 배열

- 검은 나비 비늘로 부터 얻은 영감으로 나노구멍의 위치와 크기 물질서가 상관관계 있게 결합된 배열

시뮬레이션 결과 모든 패턴된 판은 패턴되지 않은 판 보다 상당히 기능이 좋았고 나비로 부터 영감을 얻은 디자인은 넓은 파장과 넓은 입사각에 걸처 가장 기능이 좋았다. 

그들은 간단하고 확장성이 있는 기술인 a-Si:H을 이용하여 나비구조를 모사했다.

참고:http://physicscentral.com/buzz/blog/index.cfm?postid=2909922127547102123