핵심 성과는 특별히 엔진니어링된 차세대 양자점을 이용해서 대면적 발광 태양 집광체(luminescent solar concentrator, LSC)를 실증한 것이다.
양자점은 반도체 물질의 극소형 비트인데 그들의 발광 색깔은 크기를 변화시키면 튜닝될 수 있다.
특히 양자점은 색깔 튜닝 능력과 100%에 도달하는 고발광 효율을 지녔다.
LSC는 염료 분자나 양자점과 같은 고효율 이미터를 포함하고 있는 투명한 물질 평판으로 되어 있는 포톤 관리 소자이다. 평판에 흡수된 태양광은 더 긴 파장의 빛으로 재방사되고 평판 가장자리에 위치한 태양전지로 그 빛이 안내된다.
LSC는 태양광을 큰 면적에서 모아서 훨씬 작은 태양전지에다 집중시키는 광수확 안테나로써 역할을 한다.
LSC는 태양전지의 효율을 증가시킬 뿐 아니라 주택 외관을 대면적 에너지 생산 유닛으로 바꿔놓을 수 있는 광전지 창과 같은 새로운 흥미로운 개념을 가능하게 한다.
양자점을 이용한 LSC에서의 문제점은 양자점의 발광과 흡수 밴드 사이의 겹침이 있어 그들이 생산한 광의 일부를 재흡수하기 때문에 상당한 광손실이 발생한다는 것이다.
이 문제를 해결하기 위해서는 양자점의 발광과 흡수 밴드 사이의 분리를 인위적으로 크게하는 것(Stokes-shift)이 중요하다.
(그림 1: QD-LSC 개념과 두꺼운 껍질의 CdSe/CdS g-QD의 전자 구조. a, CdSe/CdS 코어/껍질 QD가 포함되어 있는 폴리머 매트릭스로 만들어진 LSC의 도식도. b, 껍질에서 광흡수가 일어난 후(검은색 화살표) 껍질에서 코어로 광생성 홀의 빠른 이동(회색 화살표)을 보여주는 CdSe/CdS QD 밴드 다이아그램. 빨간색 화살표는 코어-localized exciton의 방사 재결합을 나타낸다. c, 코어(반지름 1.5 nm; 회색 선)만 있는 CdSe QD(Ref.)와 코어의 크기는 같고 껍질 두께가 4.2 nm인 CdSe/CdS g-QD(자주색 선)의 광흡수(점선)과 광루미네선스(실선) 스펙트럼)
이 Stokes-shift은 CdSe/CdS 구조로 엔지니어링될 수 있는데 광흡수는 매우 두꺼운 외곽 껍질에서 지배적으로 일어나게 하고 반면 발광은 매우 좁은 밴드갭의 CdSe의 내부 코어에서 발생시키는 것이다.
나노구조의 서로 다른 두 부분 사이의 광흡수와 광방출 기능의 분리는 흡수에 대한 발광의 큰 파장 이동을 낳아 재흡수 손실을 크게 줄인다.
이 개념을 실현하기 위해 연구원들은 일련의 두꺼운 껍질의 CdSe/CdS 양자점을 만들어 수십 cm 크기의 PMMA 평판 속에 집어 넣었다.
이 공정을 위해 cell-casting 방법을 수정하는 것이 중요하다.
(그림 4: Stokes-shift-engineered QD에 기반한 대면적 LSC. a, 왼쪽: QD-PMMA에 기초한 LSC(크기: 21.5 cm ✕ 1.35 cm ✕ 0.5 cm)의 사진. 위 사진은 자외선 램프를 조사했을 때 365 nm의 광이 나오는 것을 보여 주고 아래 사진은 외부광하에 놓였을 때 있다. 오른쪽: 1.5 AM global의 인공 광원을 조사했을 때 사진이다. b, QD 헥산 용액(점선)과 QD-PMMA 합성물(실선)의 광흡수 스펙트럼은 산란에 의한 최소한의 차이가 있을 뿐이다. 여기(excitation, 473 nm) 지점이 가장자리로 부터 d=0 cm(검은 색 선) 또는 d=20 cm(자주색선)에 떨어져 위치해 있을 때 LSC의 가장자리에서 수집되는 규격화된 광루미네선스 스펙트럼. d에 따른 광루미네선스 형태의 변화가 없는 것으로 보아 QD 물질에 의한 재흡수 손실은 무시할 정도로 적다는 것을 알 수 있다. c, 835 nm 광 산란 강도(삼각형)와 d에 따른 파장 적분된 광루미네선스 강도(동그라미) 비교. 835 nm 방사광은 양자점에 흡수되지 않기 때문에 산란광과 평판 밖으로 빠져나가는 광으로 835 nm 방사광의 약화된 양을 정량화 할 수 있다. 광루미네선스와 835 nm 광 산란 강도 모두 d에 의존한다는 것을 보여준다. 이것은 광루미네선스 손실은 양자점 재흡수 때문이 아니라는 판단을 확실히 해 준다.
분광분석으로 부터 수십 cm의 거리상에서 재흡수 손실이 사실상 없다는 것을 알았다. 그리고 인공 태양 광원을 LSC에 쪼였을 때 흡수된 광의 대략 10%가 수확되었다.
참고: http://www.lanl.gov/newsroom/news-releases/2014/April/04.14-shiny-quantum-dots.php
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