태양전지는 밴드갭 보다 낮은 에너지의 빛을 흡수할 수 없다. upconversion(UC) 소자는 이런 빛을 수확하는 것인데 그냥 투과될 최소한 두개의 포톤에서 하나의 더 높은 에너지의 포톤을 만들어 셀 쪽으로 다시 내보낸다.
UC를 위한 핵심 필요 조건은 심지어 낮은 강도의 비간섭성 조도하에서도 넓은 흡수와 높은 UC 양자 효율을 갖는 것이다.
Upconversion은 태양전지의 효율을 향상을 위한 수단으로 약 10년 전에 제안되었다. 그 당시 연구는 란탄족 원소가 도핑된 유리 또는 나노입자에서 발생하는 UC 과정을 집중됐다.
희토류의 4f 궤도 사이의 전이(transition)가 결정질 Si 태양전지에 쓰일 수 있는 에너지 범위에 있지만 Er 또는 Yb 기반의 UC 시스템은 Laporte 금지 전이에 의해 흡수가 약하고 좁은 흡수 대역폭 때문에 낮은 양자 효율을 보인다.
최근 유기 분자의 triplet-triplet annihilation (TTA)이 대안적인 UC 메케니즘으로 연구되고 있다. 이 메케니즘은 낮은 포톤 플럭스에도 효과적으로 일어나고 조정 가능한 범위가 높은 흡수 특성을 나타낸다.
TTA-UC로 부터 높은 양자 효율의 핵심은 유기 용매 또는 폴리머 모체 매트릭스에 용해되어 있는 2 가지 서로 다른 유기 분자의 결합에 있다.
matalated porphyrin은 낮은 에너지의 포톤을 흡수한다(과정 1). 그리고 에시톤의 스핀이 0(singlet)에서 1(triplet)로 바뀌는 빠른 내부 시스템 교차 격는다(과정 2).
이 스핀 상태의 변화는 porphyrin center에 있는 중금속에 의해 가능하고 결과물인 triplet 상태는 비방사적으로 바닥상태로 이완되기 때문에 오래 유지된다.
분자의 두번째 클래스와의 상호 작용은 triplet 에너지를 triplet 에너지 이동(과정 3)에 의해 소위 이미터 종에게 전달한다.
잇따른 두 이미터의 상호작용은 TTA(과정 4)을 낞은데 하나의 고에너지 singlet 상태를 만들기 위해 두개의 triplet 여기를 결합시키는 것이다.
singlet 상태는 효율적인 고에너지 포톤 방출을 통해 빠르게 바닥상태로 이완된다(과정 5).
최근 연구자들은 박막 태양전지의 태양광 수확을 확장하기 위해 TTA-UC의 가능성을 조사했다. TTA-UC 시스템은 맞춤 분자 sensitizer 종과 a-Si 태양전지 또는 유기 태양전지 또는 염료감응 태양전지로 구성되어 있다.
sensitizer의 흡수 영역를 IR로 이동시키기 위해 Pd sensitizer의 𝛑-시스템을 확장했다. 그 결과 130 um 두께의 a-Si:H 셀에서 기존 sensitizer에 비해 좋은 특성을 나타냈다.
UC unit과 후면 반사 표면을 결합하면 입사광이 여러번 셀로 들어가도록 도와 줄 뿐아니라 upconverted 광을 out-couple하도록 해 준다.
위 두 접근은 실제 광원과 비슷한 상황하(3 sun 이하)에서 소자 동작이 가능하게 한다.
참고: http://spie.org/x106644.xml?highlight=x2358&ArticleID=x106644
댓글 없음:
댓글 쓰기