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
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