2013년 11월 28일 목요일

ZSW가 kesterite 태양전지에서 10.3%의 효율을 달성했다

ZSW가 CZTS(copper zinc tin selenide) 태양전지(셀 크기 0.5 cm2  )에서 10.3%의 효율을 달성했다.

CZTS는 CIGS(copper indium gallium diselenide)와 비슷하지만 In과 Ga 대신 풍부한 매장량의 Zn과 Sn을 사용하며 덜 비싸고 덜 복잡하다.

CZTS 태양전지의 제조방법은 유리 기판 위에 무독성 잉크 용액을 코팅하여 전구체 층을 형성시킨다. 그 다음 열처리 과정을 통해 셀렌화(selenize) 시키고 나머지 생산 공정은 CIGS와 기술과 같다.

참고: http://www.semiconductor-today.com/news_items/2013/NOV/ZSW_261113.shtml

2013년 11월 27일 수요일

나노와이어를 이용하여 태양전지의 광포집을 증가시키다

광포집을 향상시키기 위해 나노구조를 포함하는 Si 박막을 이용하면 태양전지의 효율은 더 증가된다.

지름 방향으로 형성된 p-n 접합을 갖고 있는 나노와이어를 특징으로 하는 태양전지는 높은 광포집 효율과 증가된 전하 수집을 보인다. 그 이유는 지름 방향 접합 배열에서의 전하 분리는 평면 접합 배열 보다 더 짧은 캐리어 확산 거리를 필요로 하기 때문이다.

각 나노와이어는 입사광과 결합하여 국소 공명을 일으키면서 높은 흡수 특성을 나타낸다. 이 특성은 나노와이어가 주기적인 배열이 아니더라도 나타난다.

가장 좋은 성능을 위해  나노와이어의 지름과 Si 부피율을 신중하게 조정하는 것이 필요하다.

최적의 성능은 같은 주어진 부피율에서  나노와이어의 수직 배열 형태가 정사격형이든 육각형이든 크게 영향을 받지 않으나 나노와이어 길이가 증가할 수록 광흡수율은 대수적으로 향상됐다.

더우기 다른 지름을 가지는 두 종류의 나노와이어를 밀집 육각형 주기적인 배열을 형성하도록 합치면 성능을 좀 더 향상 할 수 있는데 더 작은 지름의 와이어는 단파장의 광을 포집하는데 더 효과적이고 반면 더 긴 와이어는 장파장 광을 더 잘 흡수하기 때문이다.

실제로 듀얼-지름 나노와이어 어레이가 단일 지름 나노와이어 구성보다 광포집 특성이 우수하다.

연구자들은 수소화된 비정질 Si(aSi:H)을 활성층으로 사용하여 지름 방향 접합 태양전지 소자를 제조했다. 맨 먼저 p 도핑 결정질 Si 나노와이어 코어를 만들고 난 후 100 nm 두께의 진성 aSi:H을 증착했다. 그 다음 얇은 n 도핑 aSi:H을 코팅했다. 투명 ITO 전극을 나노와이어 위에 스퍼터링 공법으로 코팅했다.

강한 광산란이 나노와이어 내에 공명을 야기하는 광결합과 합쳐져 광흡수를 증가 시킨다.

서로 다른 나노와이어 밀도로 만들어진 소자에서 Voc 0.8 V, Jsc 16.1 mA/cm2, FF 0.628 그리고 효율 8.1%을 얻었다.

상대적으로 높은 Jsc 값은 주로 나노와이어 사이에서 효과적인 광산란에 의한 것이다.

향후, 그들의 연구는 흡수층으로써 aSi:H 대신 mcSi:H을 사용해서 Jsc을 증가시키는 것과 원자층 증착을 이용해서 ITO층의 균일도를 향상시키는 것이다.


참고: http://spie.org/x104744.xml?highlight=x2400

2013년 11월 26일 화요일

태양전지 모듈이 소방 활동에 새로운 방해를 주고 있다

마냥 아무런 문제 없이 태양광을 전기로 변환시켜 주는 태양전지지만 건물에 불이 나면 상황은 달라진다.

소방관 한테는 낯 동안 발전하고 있는 태양전지는 위험한 대상이다. 왜냐하면 전기 차단기를 내려도 전기가 남아 있기 때문이다.

그런 위험이 9월초 New Jersey에 있는 고기 유통 창고 화재에서 통열히 느꼈는데 소방 대원이 감전 위험에 노출될 수 있다는 공포 때문에 효과적으로 불을 끌 수 없었다.

태양전지 모듈의 보호와 소방은 소방서의 관심사이다. 하지만 확실한 해결책이 나오기 까지는 더딘 상황이다.

현재로선 사다리를 지상에서 뻗쳐 위에서 떨어지는 물을 피하는 새로운 형태의 훈련을 하고 있다. 

참고: http://www.westhartfordnews.com/articles/2013/11/24/news/doc528df54dc2218359357892.txt

2013년 11월 23일 토요일

지붕형 태양전지 모듈이 잘못된 방향으로 태양을 보고 있다


(남향서향 지붕형 태양광 발전 시스템에 대한 각각의 평균 일일 전력 생산 프로파일(kW))

Pecan Street Research Institute는 전력 피크 수요 시간 동안 서향 지붕형 태양전지 모듈이 남향의 것에 비해 49% 더 전기를 생산한다는 연구 결과를 발표했다. 

그들은 Austin(Texas)에 있는 50 가구를 분석했는데 어떤 가구에 대해서는 단지 남향 또는 서향으로 태양전지 모듈을 설치했고 어떤 가구는 두 방향 모두에 대해 설치했다.  

남향 모듈은 54%의 그리드 전력 수요 감소를 나타냈지만 서향 모듈은 65%을 보였다. 

또한 서향 태양광 발전 시스템 집과 남향 태양광 발전 시스템 집은 각각 하루 전체 전기 사용량의 37%와 35%의 전기를 생산했다. 

이 결과는 서향 모듈이 특정한 가정에는 잠재적으로 더 매력적이 될 수 있다는 것을 알려준다. 

참고: http://theenergycollective.com/stephenlacey/304276/are-solar-panels-facing-wrong-direction

2013년 11월 22일 금요일

다시마로 태양전지를 만들다



염료 감응 태양전지(DSSCs)에서 백금은 전통적으로 전극 물질로 사용된다. 하지만 백금은 아주 좋은 성능을 보여 주지만 환경 친화적이지 않고 고가인것이 문제다.

Tingli Ma와 동료들은 다시마가 염료 감응 태양전지를 위한 원재료의 적당한 소스가 된다는라는 것을 알았다.

그들의 결과는 희망적이였다.

그들은 천연 염료, 요오드화문(iodide) 그리고 탄소 물질을 다시마로 부터 동시에 추출할 수 있었는데 이들 각각은 감응제, 전자 셔틀을 위한 전해질 그리고 상대 전극으로써 역할을 수행한다.

다시마를 상대전극으로 이용하기 위해 다시마를 800 °C 질소 분위기에서 원스텝으로 탄화 시켰다. 

탄화 시킨 다시마를 물에 분산시키면 빗자루 모양의 구조를 나타내는 부유물이 된다. 이 부유물은 XRD 분석 결과 대부분 탄소라는 것을 알 수 있다. 

이 부유물에서 불필요한 것을 제거하기 위해 불산처리를 했다. 

이렇게 만들어진 다시마 상대전극을 실제 DSSCs에 적용했을 때 효율 7.8%을 얻었다.

또한 다시마로 부터 천연 염료를 추출했는데 441 nm 와 664 nm에서 흡수 피크를 보였고 이는 흡사 염록소 A의 특성과 비슷했다. 

다시마 기반 모두가 천연 재료를 사용한 DSSCs의 효율은 1.40 %을  나타냈다.

참고: http://www.rsc.org/chemistryworld/2013/11/seaweed-solar-cell-sea-tangle

2013년 11월 21일 목요일

유기 태양전지 연구의 패러다임 이동


(무질서 상태인 폴리머와 정돈된 플러렌 사이 계면에서의 경사가 엑시톤을 분리한다.)


Stanford 과학자들은 새로운 연구을 통해 어떻게 유기 태양전지가 태양광을 전기로 변환시키는지에 대해 널리 신봉되는 해석을 뒤집었다.

유기 태양전지의 효율에 있어서 극적인 향상이 최근 이어지고 있지만 소자가 어떻게 태양광을 전기로 바꾸는 것에 대한 근본적인 의문은 여전히 뜨거운 논쟁거리다.

그들은 이번의 연구를 통해 기존의 동작 이론은 틀렸다는 것을 암시했다.
일반적인 유기 태양전지는 플라스틱 폴리머와 다른 플렉서블 물질로 만들어지는 2개의 반도체 층으로 이루어져 있다.

셀이 광을 흡수하면, 하나의 포톤이 폴리머 원자에 있는 하나의 전자를 떨어져 나가게 하고 홀이 라고 부르는 빈 공간을 남긴다. 전자와 홀은 엑시톤이라고 하는 결합된 쌍을 곧바로 형성한다. 엑시톤이 분열되면 전자는 흡수된 다른 포톤에 의해 생긴 홀로 독립적으로 이동하게 된다.
이렇게 홀에서 홀로 전자의 연속적인 운직임이 전류를 만든다.

Standford의 연구자들은 무엇이 엑시톤을 분리시키는가에 대한 오래된 논쟁에 대해 고심했다.
엑시톤을 분리하기 위해서는 두 가지의 서로다른 물질이 필요하다. 만약 전자가 A 물질 보다 B 물질로 더 끌려간다면 전자는 B 물질로 이동한다. 이론적으로 그 전자는 B 물질로 이동 후에도 홀과 결합된 상태로 남아야한다.

근본적인 의문은 이 결합된 상태가 어떻게 분열되냐는 것이다.

널리 인정된  설명 중 하나는 hot exciton 효과이다. 이 아이디어는 전자가 A 물질에서 B 물질로 이동할 때 여분의 에너지를 나른다는 것이다. 이 여분의 에너지가 여기된 전자(열전자)가 홀과이 결합을 끊고 빠져 나갈 수 있는 충분한 속도를 준다. 하지만 이 가정은 이 번 실험과는 대치된다.

그들은 반도체 물질로 부터 광방출을 측정해서 여분의 에너지가 엑시톤을 분열시키는데 필요없다는 것을 알았다.

그럼 정말 무엇이 전자-홀 쌍을 분리시키는가?

그들은 정확한 답을 얻지는 못했지만 몇가지 힌트를 얻었다. 분자 수준에서의 무질서가 실제로 태양전지에서 반도체 폴리머의 성능을 향상시킨다라는 것을 알았다.

플라스틱 폴리머 고유의 물질서에 중점을 두고 두 반도체 층이 만나는 계면으로 부터 전자를 떨어져 나갈수 있는 새로운 물질을 설계했다. 유기 태양전지에서 계면은 이웃한 다른 영역에 비해 항상 더 물질서 하다. 이것이 전자를 무질서한 영역에서  질서 있는 영역으로 빨아 당기는 자연적인 경사도를 준다.

참고: http://news.stanford.edu/news/2013/november/exciton-solar-cell-111913.html

2013년 11월 20일 수요일

태양광 전력에 생산에 청색광의 특별함

태양광 전력은 사실 너무 낭비적이다. 하지만 화석 연료와 같은 뜻의 낭비적 의미는 아니다.
청색광과 그 근처 광은 가장 높은 포톤 에너지를 가지고 있지만 그들의 포톤 수는 적외선의 것에 비해 적다.

한편 적외선 광은 태양전지에 충돌할 수 있는 더 많은 포톤의 수를 가지고 있지만 청색광 포톤에 비해 낮은 에너지를 갖고 있다.

만약 태양전지가 적외선광만 수집한다면 문제는 밴드갭을 초과하는 어떤 에너지라도 매우 빨리 열로 바뀐다. 청색광을 받으면 단지 낭비적인 열로 되는 것이다.

위 내용이 뜻하는 것은 가장 높은 에너지인 청색광은 현재의 태양전지가 가치 있게 수확을 할 수 없어 대부분의 태양전지에 사용되지 못하고 있다는 것이다.


(그림 1. TIPS(bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene의 개요.  a, TIPS-pentacene(TP) 용액에서 singlet fission의 매케니즘을 위한 도식도.  하나의 singlet-excited 분자와 하나의 바닥 상태의 분자가 excimer을 생성시키위한 rate-limiting 단계에 관여하고 있다. 이 중간적인 상태는 2개의 triplet으로 붕괴된다. 청색 화살표는 상호작용을 뜻하고 적색 화살표는 광학적 전이(transition)을 나타내고 점선 화살표는 비방사 붕괴를 뜻한다. b, TIPS-pentacene의 구조.  c, chloroform에 용해되어 있는 경우와 스핀 코팅된 TIPS-pentacene의 바닥상태 흡수 스펙트럼.)  

Canbridge 연구자들은 위 문제를 풀 수 있는 가능한 방법을 고안 했다.
그들의 해결책은 singlet exciton fission을 이용하는 것이다. singlet exciton fission은 스핀 보존 과정인데 하나의 광여기 singlet 상태로 부터 2개의 triplet 여기 상태를 만든다.

근본적으로 이것은 양자 특성인 스핀을 이용해서 단일 포톤의 에너지를 쪼개 2개의 입자를 만드는 방법이다. 이것은 두 입자사이의 순간적인 전하 공유로 인해 단지 pico초 동안에 전류가 2배로 되는 것을 뜻한다. 하지만 전체 전력을 증가시키기에는 이 시간은 충분히 길다.

더우기 여기에 소개된 이 방법은 기존 태양전지 기술을 완전히 새롭게 설계할 필요는 없다.

참고: http://motherboard.vice.com/blog/how-to-double-the-output-of-current-solar-cells-for-cheap

2013년 11월 18일 월요일

유기 태양전지(organic solar cells, OPV)에서 도너 물질

현대의 유기 태양전지(OPV)는 본격적으로 1986년에 Tang 셀로 부터 시작한다. Tang 셀은 광활성층이 도너로 copper phthalocyanine과 업셉터로 diimide 파생물로 이루어진 이중층 평면 구조의 소자이다. 이 소자는 상당히 큰 FF에도 불구하고 AM 2 광조사에서 효율 ~1%을 나타냈다. 

1992년에 UC Santa Barbara의 연구자들은 빛에 의해 전자가 MEH-PPV에서 C60으로 이동하는 것을 입증했다. 이 연구가 공액 유기 폴리머를 이용한 최초의 플라스틱 태양전지이다. 

1995년에 용해성이 있는 플러렌 파생물인 PCBM이 소개 되었는데 이 때 폴리머/플러렌 벌크 이종접합(bulk heterojunction, BHJ)의 개념이 정의 되었다. 

사실상 모든 OPV는 활성층의 볼륨 내에서 전하 분리 계면의 면적을 최적화 하기 위해 BHJ 전략을 이용한다. 

초기의 플라스틱 태양전지는 MEH-PPV을 이용했다. MEH-PPV와 파생물인 MDMO-PPV는 side chain의 간격이 정확히 플러렌이 끼어 들어 갈 수 있는 적당한 크기여서 물질 상에 친밀한 π-π 접촉을 제공해서 전하 이동을 향상시킨다. 

McCullough et al.은 규칙 배열된(regio-regular) poly(3-hexylthiophene)(rr-P3HT)을 개발 했는데 이 물질의 에너지 밴드갭이 태양광 스펙트럼과 매칭시 약간 컸다. 그리고 hexyl side-chains의 Van der Waals 상호작용이 결정 도메인의 형성을 위한 강한 구동력을 제공하고 HOMO와 LUMO 준위는 PCBM 준위와 상당히 잘 매칭된다. 

결과적으로 rr-P3HT/PCBM은 재현 가능한 효율 ~5%의 소자을 만들 수 있다. 

대부분의 현재의 공액 고분자는 약한 전자 친화력과 강한 전자 친화력을 특성을 갖고 있는 공중합체(co-polymer)을 추구한다. 전자 친화력이 약한 고분자는 HOMO 준위를 높이고 전자 친화력이 큰 고분자는 LUMO 준위를 낮춰 밴드갭을 좁게하고 업셉터인 플러렌의 에너지 준위와 매칭시킨다. 

이렇게 하면 OPV 소자의 효율을 5~10% 범위에서 달성할 수 있고 최근 텐덤 OPV에서 효율 10%을 초과했다. 


                                    (그림 3)

그림 3은 모범적인 폴리머/플러렌 OPV 소자의 도식도이다. 그림 3에서 위 소자는 역구조 소자 구조인데 Ag 애노드가 홀을 수집하고 ITO 캐소드가 전자를 수집한다. 역구조는 반응성의 캐소드 물질 없이 OPV 소자를 만들 수 있어서 상용화 면에서 바람직 하지만 최근 까지 효율의 개선이 지지부진하다. 

 역구조는 poly(vinylpyrrolidone, PVP)에 있는 ZnO와 애노드에 MoO3에 의해 가능하다. 

그림 3의 아래 소자는 3중 접합 아키텍처를 보여준다. 다중 접합 OPV는 서로 다른 활성층으로 탱양광 스펙트럼의 서로 다른 부분을 포획할 수 있는 장접이 있다. 

참고: 참고: modern plastic solar cells: materials, mechanisms and modeling, Ryan C. Chiechi, et al, Materials Today-Volume 16, Numbers 7/8* July/August 2013. 

2013년 11월 17일 일요일

더 간단하고 더 싼 태양전지 만들기



2009년에 페로브스카이트가 처음 태양전지에 이용되어 3%의 효율을 보인 이래로 지금은 15%이상을 달성했다.

Oxford University의 과학자들은 페로브스카이트의 성공은 10배 좋은 확산 거리에 덕분이라고 밝혔다.

확산 거리는 얼마나 태양전지 막이 뚜꺼울 수 있느냐를 말해준다. 만약 확산 거리가 너무 짧으면 매우 얇은 막을 사용할 수 있기 때문에 셀은 많은 양의 태양광을 흡수할 수 없다.

확산 거리가 왜 그렇게 중요한지 좀 더 알아 보자. 

태양전지 셀은 p형과 n형  반도체로 불리는 두 형태의 물질에 의해 만들어 진다. P형 물질은 주로 양의 전하를 띈 홀을 포함하고 있고 n형 물질은 주로 음의 전하를 띈 전자를 포함하고 있다. 이들 전하들이 p-n 접합에서 만나면 전하 차이가 전기장을 만든다.

광입자(포톤)가 전자와 충돌하면 여기된 전자와 홀이 생성되어 태양전지는 전기를 생산한다. p-n 접합의 전기장은 여기된 전자를 n형 물질 쪽으로 그리고 홀을 p형 물질 쪽으로 안내한다. 전자와 홀은 금속 접촉 전극에 의해 픽업되어 회로를 통해 전류로 흐른다.

확산 거리는 전하 캐리어(전자와 홀)가 결합되지 않고 이동할 수 있는  평균 거리를 말해 준다. 재결합은 여기된 전자와 홀이 만날때 발생하는데 결과적으로 저에너지의 전자를 남긴다. 

만약 확산 거리가 물질의 두께 보다 작다면 대부분의 전하 캐리어는 전극에 도달하기 전에 재결합 될 것이다. 따라서 거의 모든 전하를 수집하기 위해서는 확산 거리는 막 두께의 2배에서 3배이면 좋다.  

태양전지의 두께는 항상 타협이 필요하다 - 너무 얇으면 많은 양의 태양광을 흡수할 수 없고 너무 두꺼우면 내부의 전하 캐리어가 잘 이동하지 못한다. 긴 확산 거리는 종합적인 면에서 더 효율이 높은 태양전지에 있어서 필수적이다.  왜나면 많은 전하 캐리어의 재결합 손실 없이 태양전지를 두껍게 만들 수 있기 때문이다. 

이전에 연구자들은 확산 거리가 약 100 nm인 페로브스카이트 화합물(CH3NH3PbI3)을 사용하여 메조구조(mesostructured)의 페로브스카이트 셀을 만들어 15%의 효율을 얻었다. 메조구조는 시간 소모가 크고 복잡한 공정이 필요하기 때문에 상업화하기 힘들다. 

하지만 페로브스카이트 화합물에 Cl 이온을 첨가 함으로써,CH3NH3PbI3-xClx,1000  nm가 넘는 확산 거리와 복잡한 구조의 도움 없이 15%의 셀 효율을 달성했다. 

간단하고 평면 구조에서 15%의 효율을 달성할 수 있다는 것은 매우 큰 의미가 있다. 페로브스카이트 태양전지는 믿기 힘들 정도로 싸게 만들 수 있고 매우 높은 효율과 반투명 특성은 이미 증명되었다. 

참고: http://www.ox.ac.uk/media/science_blog/131112.html

2013년 11월 14일 목요일

태양전지 제조를 위한 새로운 패러다임

기존의 태양전지는 빛을 흡수해서 전자를 여기시켜 어느 특정 방향으로 흐르게 해서 전류를 만든어 일을 한다. 하지만 이렇게 한방향으로 전자를 운동시키 위해서는 태양전지는 두 물질로 구성되어야 한다.

광여기된 전자가 두 물질 사이의 계면을 건너 가면 전류가 생기는데 이미 건너간 전자는 뒤돌아 올 수는 없다.

하지만 빛을 물질에 비추면 한 물질에서 다른 물질을 가로지르지 않고 전자가 특정한 한방향으로 나아가는 물질의 범주가 작지만 있다. 이것을 벌크 광전지 효과(bulk photovoltaic effect)라 부른다. 이것은 기존 태양전지에서 일어나는 계면 효과와는 다르다.

벌크 광전지 효과는 1970년대 이래로 알려져 왔으나 자외선에서만 이 현상이 나타났기 때문에 태양전지를 만들지 못했다.가시광에 대해 벌크 광전지 효과를 나타내는 물질을 찿으면 태양전지 제조를 매우 단순화 시킬 수 있다.

Shockley-Queisser 한계는 물질의 밴드갭 에너지가 허락하는 가장 낮은 빛 에너지의 액면가만이 가치가 있다는 것을 말한다. 예를 들어 물질의 밴드갭 에너지가 적외선 에너지 밴드갭과 동일하다면 에너지가 높은 가시광이나 자외선이 입사되면 그 물질은 가시광과 자외선 두 빛 모두 적외선 에너지로 생각한다.

연구자들은 5년 넘게  이론적으로 벌크 광전지 효과를 내는 화합물을 연구했다. 그러한 화합물을 만들기 위해 벌크 광전지 효과의 극성을 줄 수 있는 모재와 모재에 첨가하여 밴드갭을 낮출 첨가재를 찾기 시작했다.

이 결정을 위한 설계에 있어서 도전은 가시광을 흡수하는것과 동시에 극성을 유지할 수 있는 물질을 찾는 것이다.

그러한 결정 구조는 페로브스카이트 결정에서 좀 찾을 수 있다. 대부분의 광흡수 물질은 대칭적인 결정구조를 갖고 있는데 그 의미는 그들의 원자들이 반복적인 패턴으로 위, 아래, 좌, 우, 앞과 뒤에 배열되어 있다는 것이다. 이것은 이들 물질을 무극성으로 만든다; 전자의 시각에서 보면 모든 방향에서 보이는 것은 똑같다. 그래서 전자들이 전체적으로 흘러 갈 방향은 없다.

페로브스카이트 결정은 금속 윈자로 이루어진 입방 격자 구조와 같으나 각 입방 내에 산소로 이루어진 8면체가 있고 각 8면체 안에는 다른 종류의 금속이 있다.이 두 금속 원자 사이의 관계가 전자를 중심에서 움직이게 만들어 결정 구조에 방향성을 줘서 극성을 띄게 한다.


(a, 태양광 스펙트럼과 Si, CdTe, BiFeO3 그리고 x=1인 KBNNO의 밴드갭 값. b, KBNNO의 싱크로트론 X선 회절 결과. 페로브스카이트 피크는 두꺼운 마크로 마킹되어 있고 NiO 불순물 피크는 화살표로 표시되어 있다. c,  DFT 계산에 사용된 (KNbO3)8-(BaNb1/2Ni1/2O2.75)4 결정 구조. K와 Ba는 청색과 녹색 구로 각각 그려져 있다; Nb-O6와 Ni-O6는 꼭지점에 O을 갖고 있는 갈색과 회색 8면체로 나타나 있다. d, KBNNO의 라만 데이터. x≦0.3일 때 200 cm-1에서의 깊이 공명과 800 cm-1 근처의 피트는 강유전체 상을 암시한다. )


연구자들은 드디어 potassium niobate, KNbO3(모재)와 최종 물질에 밴드갭을 부여하는극성 물질인barium nickel niobate, BaNi(1/2)O(3-d)을 결합하는데 성공했다. 더우기 barium nickel의 퍼센트에 의한 최종 물질의 밴드갭을 조정하는 능력은 계면 태양전지 이상의 또 다른 잠재적 이익을 준다.

모재의 밴드갭 에너지는 UV 범위(3.8 eV) 이지만 단지 10%의 barium nickel niobate을 첨가하면 배드갭 에너지를 가시광 영역(1.1~2.0 eV)으로 옮길 수 있다. 

두 물질을 갈아 미세 분말을 만들어 서로 혼합한 후 서로 반응하도록 오븐에 열처리한다.
이렇게 만들어진 결정은 이차 물질의 원소가 모재의 구조내에 이상적인 핵심 위치에 놓여지게 되어 가시광을 흡수할 수 있다.

참고: http://www.upenn.edu/pennnews/news/penn-and-drexel-team-demonstrates-new-paradigm-solar-cell-construction

2013년 11월 9일 토요일

Ca 부식 테스트으로 부터 유기 태양전지 수명에 대한 물 침투와 기후(온도와 습도) 의존성 연구

봉지재가 없는 상태에서 저분자 유기 태양전지의 성능 저하가 다른 기후 조건(온도와 습도) 아래 조사되었는데 소자의 열화는 Al 전극 층의 물 침투 저지 기능과 관련이 있었다.

유기 태양전지의 성능 저하는 물이 지배적인 역할을 하는 것으로 밝혀졌는데 Ca의 부식 상태를 보면 잘 예측 가능하다. 몇개의 독립적인 실험들에 의해 Al 전극의 내부 결함과 패턴닝된 Al 전극 사이를 통해 침투한 물의 양이 20+-7 mg일때 초기 효율의 50%으로 떨어진다는 것을 알았다.

Al 전극 결함의 크기는 광학현미경으로 보이는 반지름이 0.3um이상 이였다

이 실험으로 부터 봉지재가 어떻식으로 잘 만들어져야 하는지를 알 수 있고 물 침투 방어 성능이 다른 막이 적용되었을때 소자 수명을 예측하게 해준다.

더우기 EL(electroluminescence) 이미지는 오로지 광활성 영역의 손실로 부터 열화가 야기되었다는 것을 보여준다.


참고: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927024813005448

2013년 11월 8일 금요일

열로 태양전지의 효율 증가시키다



MIT의 연구자들이 최근에 1차원 구조의 Si/SiO2 광결정 이미터와 InGaAsSb 태양전지와 결합한 열광전지를 만들었는데 5%이상의 효율을 달성했다.

이 결과는 광결정을 이용한 최초의 열광전지에 대한 성능이다.

이론적 모델에 의하면 이미터/흡수체로써 2차원 Ta(tantalum) 광결정과 간단한 평면 텐덤 필터를 이용하면 열광전지의 효율은 10%가 넘을 것이라고 한다.

나노구조의 광결정 Si 이미터에 의한 효율이 그라파이트 흑체에 의한 효율에 비해 2배 이상이었다.

그들은 광소스로 Xe 아크를 이용했는데 일상의 태양광의 세기의 100 배로 흡수체에 집광시킬 수 있었다.

광결정 흡수체-이미터 구조의 능력은 태양광의 전 스펙트럼을 열로 변환시키는 능력이고 태양전지의 밴드갭 에너지 보다 큰 에너지의 포톤의 방출 최대화하는 것이다.

흡수체와 이미터를 동일한 재료로 만들 수 있는데 2차원 구조의 Ta 광결정의 주기적인 공동 어레이에서 공동의 크기를 달리하면 된다.

열광전지가 효과적으로 작동할려면 1000 °C가 필요하다. 

참고: http://mpc-www.mit.edu/component/k2/item/339-enhancing-solar-cells-with-heat

2013년 11월 7일 목요일

락 음악이 태양전지 효율을 증가시키다



Queen Mary University of London과 Imperial College London의 과학자들은 음향 진동(acoustic vibration)이 태양전지 소자의 성능이 향상 된다는 것을 알았다. 

이는 고주파수와 음의 높이가 셀 내에 있는 ZnO 나노기둥을 진동시켜 에너지 생성을 강화시킨 결과이다.

그들은 수억개의 ZnO 나노기둥을 ITO 기판 위에 성장시킨 후  폴리머(P3HT)로 덮은 후  Au을 진공 증착시켜 P3HT/ZnO 나노기둥 태양전지 소자를 만들었다. 75 db 10kHz(보통의 길가 소음과 사무실에  있는 프린터 소음의 정도와 같다) 만큼 낮은 소음도 일때 태양전지의 성능을 상당히 향상시킬 수 있었다. 

가장 좋은 특성은 외부 진동이 있는 상태에서 나노기둥의 종횡비가 가장 클 때인데 효율이 1.35에서 1.75%으로 증가했다.

태양전지의 성능 향상은 전하 캐리어 수명이 3배 증가와 상관이 있는데 ZnO 나노 기둥 내에서 압전 쌍극자(piezoelectric dipole)의 생성과 관련있다. 

이전에 과학자들은 압력 또는 응력을 ZnO 물질에 가해 압전 효과로 붙터 전압을 얻었었다. 하지만 이전에는 태양전지 효율에 있어서 압전에 의한 전압 효과는 큰 관심을 끌지 못했다.

이 기술의 핵심은 소리에 의한 램덤한 변동이 서로 상쇄되지않고 태양전지 출력을 정말 증폭시키는 어떤 주파수가 있다는 것이다.

그들은 밋밋한 소리 보다 음의 높낮이가 있는 팝 음악이 음향(acoustic) 태양전지의 성능 향상에 더 효과적이라는 것을 알았다.

이 기술이 에어콘 실외기와 자동차 내부와 같이 소음이 발생하는 기기와 결합되면 태양전지의 성능을 강화시킬 수 있다.

참고: http://www.nanowerk.com/news2/newsid=33099.php







2013년 11월 4일 월요일

태양전지가 열복사선을 이용하다

단지 태양 복사선의 일부만이 태양전지에 이용 되고 있는데 Si의 경우 적외선의 일부을 사용하지 못한다.

연구자들은 지금 최초로 up-converter의 도움으로 이 적외선을 사용할 수 있게 했다.
태양 복사선이 태양전지에 떨어지면, 가시광과 근적외선은 셀에 흡수지만 적외선은 흡수되지 않고 곧장 셀을 통과한다.

통과된 복사선은 뒷쪽에 있는 up-converter을 작동시킨다. Up-converter는 본질적으로 폴리머 안에 임베디드된 sodium yttrium fluoride로 만들어진 마이크로 결정 분말인데 yttrium이 erbium에 의해 대체되어 있다. Erbium(Er)은 광학 파장 범위에서 반응성이 좋고 up-conversion을 일으킨다.

광이 up-converter에 떨어지면 Er 이온은 여기되면서 더 높은 에너지 상태로 단계적으로 올라간다. 이는 사다리를 타고 올라가는 것과 같다.

이런 식으로 여기된 이온은 가장 높은 에너지 상태에서 아래로 떨어질수 있는데 이때 전자가 뛰어오르게 할 수 있는 에너지를 갖는 광을 방출한다. Up-converter는 이 광들을 모아 태양전지로 보낸다.

Up-converter을 태양전지에 실제로 채용하기 위해 셀 앞 뒷면에 금속 격자를 형성해서 적외선이 셀을 통과하도록 했다. 게다가 셀의 양면에서 광이 흡수될 수 있게 했다. 셀의 양면에 특별하게 설계된 반사방지 코팅이 있어 표면 반사를 없앤다.

참고: http://www.rdmag.com/news/2013/11/solar-cells-utilize-thermal-radiation

저가격 유기 태양전지가 곧 올것이다

Imperial College London의 과학자들이 유기 태양전지의 박막 내에 있는 폴리머 분자의 배열을 제어할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 방법은 막내에 나노와이어를 생성시키는 것이다.

그들은 P3HT가 F8BT와 혼합되기 전에 P3HT을 매우 정돈된 나노와이어 형태로 미리 만들어 놓은 후 F8BT의 분자량을 변화시켜 서로 혼합하면 P3HT 분자의 무질서를 줄일 수 있다. 또한 열처리를 하면 P3HT가 좀 더 잘 정렬되고 F8BT의 교차 구성을 cofacial 패킹 구조로 전이되는 경향이 있다.

결과적으로 홀 이동도가 기존 혼합물 보다 3배 증가된 매우 정돈된 P3HT을 포함하는 막을 제조하는 것이 가능하다.

실험에서 가장 특성이 좋은 소자의 효율은 0.5%였다.


참고: http://cleantechnica.com/2013/10/29/plastic-solar-cells-low-priced-plastic-photovoltaic-technology-coming-along/

2013년 11월 2일 토요일

유기 태양전지 설계 법칙

유기 태양전지에서 자유 전하로 분리되는 매케니즘을 설명하는 CT(charge transfer) 상태 모델은 충분히 이해된 것도 아니고 완전히 정립된 것도 아니다. 

유기 물질이 고체 상태로 될 때 막의 밀한 정도와 방향성에서 약간의 변화가  엄청한 특성 차이로 나타나는데 이는 유기 물질의 복잡한 본성에 기원한다. 

도너와 업셉터의 이상적인 에너지 offset있으며 최대로 가능한 Voc은 도너의 HOMO 준위와 업셉터의 LUMO 준위의 차이다. 

포톤이 도너나 업셉터에 의해 흡수되면 그 결과로 생성된 엑시톤은 도너/업셉터 계면에서 전자와 홀로 분리될 때 ∆H 또는 ∆L 과 같은 에너지의 양을 잃을 것이다. 하지만 이 값은 0이 될 수 없는데 왜냐면 이 값이 전하 분리를 위한 구동력이기 때문이다. 

경험적으로 엑시톤 분리를 시키기 위해  ~0.3 eV 이면 충분하다. 만약 이 값이 더 작으면 엑시톤은 바닥 상태로 붕괴되려는 경향이 있다. 또한 초과 에너지는 모두 소멸되고 Voc에 기여하지 않는다. 

 Jsc의 최대값은 자유 캐리어의 수송과 전극에 의해 그들이 뽑아내지는 효율에 달려 있다. 이는 소자, 재료 그리고 공정과 고 에너지 포톤의 밴드 에지로의 이완에 의한 특성이 결합되어 나타난다. 

따라서 Voc는 제어할 수 있는 물질 특성에 직접적으로 관련된 하나의 변수이다. 즉 유기 물질의 이온화 포텐셜과 전자 친화도는 합성적으로 조정가능하다.

참고: modern plastic solar cells: materials, mechanisms and modeling, Ryan C. Chiechi, et al, Materials Today-Volume 16, Numbers 7/8* July/August 2013.