2014년 5월 30일 금요일

양자점 태양전지가 8.55% 효율 기록을 달성하다



MIT 팀은 가장 효율이 높은 양자점 태양전지를 위한 새로운 8.55% 효율을 세웠다. 

이를 위해 정밀 제어 가능한 양자점과 양자점 표면을 얇은 막으로 균일하게 코팅하는 새로운 공정을 개발했다. 앏은 막은 광을 잘 흡수시킬 때는 양자점을 개별적으로, 전하를 수송시킬 때는 그룹으로 행동하게 한다.  

새로운 공정은 활성 소자 층을 성장시키기 위해 N2 분위기와 고온이 필요하지 않으며 완성된 셀을 5달 이상 공기중에 방치해 놓아도 열화가 없었다. 

이번 셀은 전극을 제외하고 모든 막들은 용액을 이용해서 상온과 대기중에서 이루어졌다. 

참고: http://www.gizmag.com/quantum-dot-solar-cell-record-efficiency/32277/

2014년 5월 23일 금요일

고굴절 나노 구조를 이용한 태양전지를 위한 광 메니지먼트

평면 형태의 고굴절 구조는 태양광 반사율이 기대치 않게 높지만 고굴절 나노 구조는 파장보다 짧은 규모로 광을 조작하게 할 수 있는 길을 열어준다.

예를 들어, 나노와이어, 입자, 그리고 기공은 강한 광학적 공명이 일어나게 해주어 광 흡수와 산란 과정을 효과적으로 제어하고 강화시킬 수 있게 한다.

이와 같이 고굴절 나노 구조는 새로운 광대역 저반사 코팅, 광포획과 초흡수막을 위한 이상적인 단위체(building blocks)가 될 수 있다.

광포집 능력을 더욱더 향상시키기 위해서는 어떤 산란 나노구조가 최적이고 어떻게 가장 잘 셀 표면 위에 나노구조를 공간적으로 배열할 것인가를 이해하는 것이 중요하다. 

강한 광집중과 산란 특성에 기반한 금속 나노구조를 이용한 광포획 층은 과거 10년간 큰 관심이 이었지만 이상적인 셀 디자인에서 제한적으로 효과가 실험적으로 증명되었다.

여기서는 기생 광 손실 없이 금속 나노 구조와 유사한 광산란을 시키는 고굴절률 유전체와 반도체 나노구조에 대해 설명한다.  


광포획 이론 기초

두꺼운 일반적인 태양전지에서 광포획 한계에 대한 설명은 태양전지의 열역학적의 기본적 이해와 광포획 층의 실제적인 디자인 모두에 큰 영향을 끼친다. 

통계적 ray optics 분석으로 부터 등방성 방사 패턴을 갖는 태양전지를 위한 최대로 얻을 수 있는 광흡수 증대는 4n^2의 Yablonovitch 한계이다. 여기서 n은 흡수 반도체의 굴절률이다. 


나노크기의 광 구조가 얇은 셀에서 태양광을 다루기 위해 이용될 때 ray opitics 모델을 사용할 수 없고 wave optics 개념이 새로운 성능 한계를 수립하기 위해 요구된다.

wave optics 도메인에서는 태양전지의 전자기 모드의 분석 부터 시작할 필요가 있는데 태양전지는 광학 모드의 큰 다양성을 제공할 수 있기 때문이다. 



(그림 1. 박막 태양전지 셀에서 광학 공명 여기에 의한 흡수 증대)

그림 1a는 고굴절률 나노구조로 구성된 광포획 층을 갖고 있는 모범적인 박막 태양전지의 도식도를 보여준다. 특히, 1 um 두께의 c-Si 막과  완벽한 후면 거울이 있고 광포획 층으로써 표면에 주기적으로 배열된 c-Si 나노와이어가 있다. 

막이 충분히 얇을 때 광흡수 강화를 위해 여기될 수 있는 가장 일반적으로 발생할 수 있는 모드가 4가지 있다.  

이 모드들의 본성은 입사광의 각도와 파장의 함수에 따른 반도체 물질내의 광흡수를 그림으로써 알 수 있다(그림 1b).   

결과물인 2차원 흡수 지도는 흡수가 강한 수 많은 특징을 보여준다. 이 특징들은 셀이 제공하는 구별되는 모드 크기와 태양광의 공명 커플링에 기인한다. 

서로 다른 종류의 공명은 서로 다른 전자기장의 분포를 보여주고 입사광의 각도에 대해 서로 다른 공명 파장의 의존성을 나타낸다(즉 분산 특성(dispersive property)이 다른 것이다). 이 다름이 공명을 분류한다. 

그림 1b의 1~4 라벨은 그림 1a에 예시된 4가지 공명이 여기될 수 있는 입사광(파장가 각도) 조건을 나타낸것이다. 

이들 조건에 대응하는 전기장 분포는 그림 1c-f에 나타나 있다. 그림 1c는 나노와이어의 hexapolar 대칭의 광학 공명의 여기를 명확히 보여준다. 이 공명은 아래에 있는 Si 층의 가이드 공명과 잡종이된다. 

그림 1d는 낮은 속성 인자 Faby-Perot 정상파 공명을 보여주는데 고굴절률 Si 막의 윗면과 금속 후면 반사체 사이에 반사로 인한 광 구속 효과로 부터 생긴것이다. 그림 1e는 Si 층의 가이드 공명을 보여준다. 

이것은 주기적인 나노 와이어의 어레이가 격자로서 역할을 함으로써 생기는 것인데  수직 입사된 평면파와 Si 층의 waveguide 모드의 위상 매칭 커플링이 일어나게 한다.  

전기장 분포는 guided 공명의 특징인 반도체층의 평면내의 주기적인 강도의 변화를 나타낸다. 각 guided 공명은 흡수 map의 위쪽에 있는 셀이 제공하는 다양한 guided 모드의 분산 다아아그램를 위에 가로 놓이게 해서 독특하게 결정된다. 

또 다른 각도 의존 특징은 회절 모드의 여기와 관련있다(그림 1f).  그러한 모드들은 입사광이 광포획 층의 평면으로 다시 향하게 될 때 여기될 수 있다. 이들 모드들은 또한 밑에 있는 반도체층으로 확장될 수 있으며 유용한 광흡수를 이끌  수 있다.  

서로 다른 공명을 분리할 수 있는 능력과 함께 그 공명의 근원에 대한 지식은 전반적인 광흡수에 대해 더 신중하고 효과적인 최적화를 가능하게 한다. 

각 공명은 선폭의 특징을 지니는데 이는 광이 보낸 시간과 셀 내의 공명에 의해 지배 받는다. 이 시간은 셀 내의 광흡수와 외부로 복사 누설(radiation leakage) 모두에 의해 제한된다. 

그림 1b에서 모든 공명의 스펙트럼 선폭이 태양광 스펙트럼의 보다 매우 좁다 것을 알 수 있다. 따라서 모델 관점에서 광포획을 이해하기 위해 전체 광흡수 강화에 대한 각 모드와 모든 모드의 기여를 결합하는 것이 필요하다. 

전적으로 wave-opitics에 기초한 이런 형태의  광포획 이론의 공식화는 광포획 과정의 본성에 중요한 통찰력을 준다. 

특히, 이 이론은 강하게 over-coupled 영역에서 서로 다른 공명을 일으키는 값을 강조하는데 흡수체의 안과 바깥쪽의 커플링을 최대로 가능한 확장시킴으로써 이해 할 수 있다.  

Over-coupling은 피크 공명 파장에서 광흡수를 떨어뜨리지만 공명 범위를 넓힘으로써 광흡수 범위를 넓힌다. 

Over-coupling은 각개의 공명 대부분을 얻을 수 있게 해주며 최적화된 광대역 광흡수 증대는 단위 주파주당 그러한 수 많은 공명을 쌓아 올려 달성할 수 있다. 

실제적인 측면에서 통계적  순간 커플 모드 이론은 광포획층에서 물질서의 형태와 정도 뿐만 아니라 셀의 발광/흡수의 각 의존 특성를 최적화하기 위해 이용될 수 있다. 

Wave optics 이론은 솔직하게 벌크 셀을 위한 고전적인 4n^2 한계를 따른다. 이 이론은 또한 파장 규모의 박막의 한계는 벌크의 한계와 매우 비슷하다는 것을 보여 준다. 더우기 나노광학 구조의 이용은 광대역 파장 범위에 걸쳐 광학 모드의 밀도를 강화시켜 일반적인 한계보다 상당히 높은 광포획 강화 비율을 얻을 수 있다. 

여기서의 wave optics 이론은 광학 상태의 local density에 기반한 광포획의 기술과 양립한다는 것에 주목할 필요가 있다. 두 이론 모두 흡수 매질과 관련있는 모드의 좋은 모드와 겹침이 갖는 장점을 설명한다. 

광포획은 통상적으로 광캐리어 생성율을 증가 시켜 태양전지의 Jsc을 증가시킨다. 

광포획 전략은 점점 더 효과적이 되고 있고 또한 지금까지의 얇은 태양전지에서 광 매니지먼트은 Voc에 긍정적인 영향을 줄 수 있다고 여기지고 있다.

아주 얇은 흡수층일때 벌크 재결합 감소가 암전류 Idark 감소를 야기해서 Voc 증가를 이끌 수 있다. 이는 아래 수식에서 볼 수 있다.  

Voc = kT/q × ( Iphoto/Idark + 1), 여기서 k는 Boltzman 상수, T는 셀의 온도, 
q는 전자 전하의 절댓값, Iphoto는 광전류다.  

내부 손실이 매우 적은 셀의 경우 추가적인 Voc 향상 가능성이 있다. 이것은 태양전지에서 필연적인 손실 모두를 조사한 Shockley-Queisser에 의한 연구의 분석 으로 부터 이해될 수 있다. 이렇게 하여 단일 접합 셀의 효율 한계를 수립할 수 있었다.  

그들은 매우 높은 셀 효율 얻기 위해서는 전자-홀 농도와 셀로 부터 포톤에 의한 효과적인 형광 방출의 곱이 커야 한다는 것을 보였다. 

고 굴절률 반도체에서 내부적으로 생성된 포톤는 포획되거나 재흡수 또는 재방출될 가능성이 높다. 이 과정을 ‘포톤 재활용’이라고 부른다.   

상당한 외부 형광의 관측은 내부 광손실이 적다는 것을 의미한다. 

Shockley-Queisser 한계에 도달하기 위해서는 셀이 Voc에서 동작할 때 외부 형광 수율이 100%가 되는 셀을 만들 필요가 있다.  


따라서 광포획 전략이 태양전지의 Voc와 Isc 모두를 제어하는데 사용될 수 있다는 것은 명백하다.  



참고: Light management for photovoltaics using high-index nanostructures,  Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921

2014년 5월 17일 토요일

불소 첨가 효과(유기 태양전지)

불소(F)는 전기음성도가 4.0인 가장 큰 전기음성 원자이다.수소 원자와 비교했을 때 비슷한 크기이지만 완전히 다른 전기적 특성을 나타낸다. 

불소를 폴리머 백본의 수소와 교체함으로써 얻는 장점은 원자의 공간적 배치를 흐트리지 않고 에너지 준위를 제어할 수 있다는 것이다.  

불소 첨가된 복합 재료는 최근에 유기 태양전지 성능 향상을 위해 체계적으로 연구되고 있다. 

불소를 TT와 BDT 유닛에 첨가했을 때 반복 유닛에 결합된 불소 당 HOMO 준위를 대략 0.1 eV 낮췄다.  

스타급 폴리머 PTB7은 기존 폴리머/플러렌 혼합물에서 효율 7%을 깬 최초의 폴리머이다. 

더우기, 불소 첨가 효과는 에너지 준위를 변화시키는 것 뿐아니라 바닥 상태와 여기 상태 사이의 반복 폴리머 유닛내의 쌍극자 모멘트를 변화시킨다. 또한 폴리머/플러렌 호합성에 영향을 준다. 

쌍극자의 변화와 변환효율과 상관관계가 관찰되었다. 


참조:  How to design low bandgap polymers for highly efficient organic solar cells, Tao Xu and Luping Yu, Materials Today, Volume 17, Number 1, January/February 2014. 

2014년 5월 12일 월요일

p-n 접합 태양전지의 기본 원리

4.1. 전기적 특성 

4.1.1. 내부 전위차(built-in potential)

p-n 접합으로 생성된 내부 전위차는 광에 의해 생성된 전자-홀쌍을 분리하는데 중요한 역할을 한다. p형 반도체와 n형 반도체가 결합되면 다수 캐리어 농도 기울기에 의해 캐리어가 확산되는데 홀은 p형 반도체에서 n형 반도체로, 전자는 n형 반도체에서 p형 반도체로 확산된다. 이온화된 분순물 원자에 의해, 전자와 홀이 접합을 가로 질러 확산될 때 전하 캐리어의 이동이 없는 층이 존재한다. 이 공간 전하(space charge)가 확산을 방해하는 전기장을 만들다. 전기장에 의한 drift current와 각 캐리어 농도 기울기에 의한 diffusion current가 평형을 이루게 되면 열적 평형이 성립되어 n형 반도체의 Fermi level과 p형 반도체의 Fermi level이 같게 된다. 



열평형에서 n형 반도체와 p형 반도체의 정전 포텐셜의 차이를 내부 전위차(built-in potential) Vb 라고 한다. Vb는 p쪽과 n쪽 사이의 일함수의 차이와 같다.

           kT            N(A) N(D)
Vb =  ----   ln [  --------------    ]
           q                 ni^2

여기서 N(A)와 N(D)는 각각 p형 반도체의 acceptor 농도와 n형 반도체의 donor농도이다. 

4.1.2. 공핍 영역(depletion region)

모바일 전자의 전이가 없는 영역을 공핍 영역이라고 부른다.  공핍층은 이온화된 불순물 원자(도너와 업셉터)에 의해 전하를 띄고 있으나 공핍층 너머에는 전기적으로 중성이다. 

공핍층의 폭 ω을  계산하기 위해 x < 0 에는 N(A)로 도핑된 p형 반도체가 있고 x > 0 에는 N(D)로 도핑된 n형 반도체가 있다고 가정하자. n형 반도체와 p형 반도체 내의 공핍층의 폭을 각각 x(n)과 x(p)라 하고 전이 영역은 무시하자. Poisson 방정식으로 부터 정전 포텐셜 Φ는 다음식을 만족해야한다. 

∂^2 Φ             ∂E     
----------   = -( ---- )  = (q/ε)N(A)   ( -x(p) ≤ x < 0 )
 ∂^2 x              ∂x     


∂^2 Φ             ∂E     
----------  = - ( ---- )  = - (q/ε)N(D)  ( 0 < x ≤ x(n) )
∂^2 x               ∂x

여기서 ε는 반도체의 유전율이다.


x=0에서 최대 전기장 Em이 나타나며

Em = q N(D)/ε  x(n) = q N(A)/ε  x(p)

양변을 적분함으로써 각각의 전기장을 구하여 전체 전위차, 즉 내부 전위차를 구하면

Vb = - ∫ (-xp -> xn) Edx = (qN(A)x(p)^2)/2ε + (qN(D)x(n)^2)/2ε = (1/2) Em ω
  

전체 공핍영역의 폭 ω은 


           2 ε           1                 1
ω =  [ ------  (  -------     +   --------   ) Vb ]^1/2
            q          N(A)            N(D)

광핍층의 폭은 donor와 acceptor 농도가 감소할 수록 증가한다. 특히 어는 한쪽의 농도가 매우 크면, 예를 들어 acceptor의 농도가 매우 클 경우, 예를 들어 p+ / n 접합인 경우, 위식은 다음과 같이 된다. 

           2 εVb
ω= [ ----------  ]^1/2
          q N(D)


4.1.3.  암 상태에서 이상적인 전류-전압 특성 

외부 전압 Vf가 p쪽에 +을 가하고 n쪽에 -을 가하면 순바이어스(foward bias)를 가한다고 한다. 이때 공핍층 사이의 정전 포텐셜을 낮춰 drift current은 줄어들지만 전자와 홀의 확산은 각각 n쪽에서 p쪽으로 그리고 p쪽에서 n쪽으로 증가한다. 그리하여 소수 캐리어 주입(injection)이 일어난다; 전자는 p쪽으로 주입되고 홀은 n쪽으로 주입된다. 

열평형 상태에서 n쪽의 전자 농도는 다음과 같이 표현된다. 

n(n0) = n(p0) exp(qVb/kT)

순바이어스 Vf가 인가되었을 때 n쪽의 공핍층의 경계에서의 전자 농도는 

n(n) = n(p) exp(q(Vb-Vf)/kT), 여기서 n(p)는 p쪽의 공핍층의 경계에서의 전자 농도이다. 

 낮은 주입 조건(n(n) ≈ n(n0)) 인 경우 

n(p) = n(p0) exp(qVf/kT)


n층에서 정상 상태의 연속방정식은 

                     ∂^2 p(n)           p(n) - p(n0)
   0  =   Dp  ------------    -     --------------       
                       ∂x^2                   τ(p)


미분 방정식의 해는 

p(n) - p(n0) = p(0) (exp(-qVf/kT - 1) exp(-(x-x(n))-Lp), 여기서 Lp는 n층에서의 홀의 확산 거리이다. 

그리하여, x=x(n)인 n쪽에서 확산 전류 밀도는 

                       dp(n)                         qDp p(n0)
J(p) = -qDp -------  ⎜x=x(n)  =   ---------------  (exp(qVf/kT - 1) 
                        dx                                 Lp


 비슷하게, x=-x(p)인 p쪽에서의 확산 전류 밀도는 



                       dn(p)                         qDn p(p0)
J(n) = -qDn -------  ⎜x=-x(p)  =   ---------------  (exp(qVf/kT - 1), 여기서 Ln은 p층에서 전자의 확산 거리다.
                        dx                                 Ln



따라서 전체 전류 밀도는 


J =  Jn + Jp =  [(qDp p(n0))/Lp +  (qDn p(p0))/Ln] (exp(qVf/kT - 1) 

    = J0(exp(qVf/kT - 1),  여기서 J0는 포화 암전류(dark current) 밀도이다(J0는 소자의 재결합의 척도이다). 

역바이어스(reverse bias) 전압 Vr이 p쪽에 -을 가하고 n쪽에 +을 가하면 공핍층 사이의 정전 포텐셜을 높혀 소수 캐리어의 확산을 억제한다. 순바이어스일때와 비슷하게 역바이어스 일때 전체 전류 밀도는 

J = J0( exp( - q Vr/kT - 1), 여기서 J0는 포화 암전류 밀도이다. 


4.1.4. 생성과 재결합의 효과 

실제 상황에서는 p-n 접합의 공핍층에서 캐리어 생성과 재결합이 일어난다. 역바이어스의 경우 금지대의 에너지 준위를 통해 전자와 홀의 생성이 발생하고 순바이어스일 때는 금지대의 에너지 준위를 통해 캐리어 재결합이 발생한다. 

재결합 전류는 대략 Jrec exp(qVf/2kT) 이다. 

실제적인 p-n 접합의 경헙적인 순방향 전류 밀도는  

J = J0 ( e^(q Vf/nkT  - 1) 

여기서 n을 이상계수(ideality factor)라고 하고 이상적인 p-n접합에서 diffusion current가 지배적이면 1, 재결합 전류가 지배적이면 2의 값을 가진다. 즉 n은 1과 2사이의 값을 가진다. 



참고: nanostructured materials for solar energy conversion, Tetsuo Soga

2014년 5월 11일 일요일

태양전지로 부터 더 많은 전기 얻기

햇빛이 현재의 태양전지에 비춰지면 입사 에너지의 많은 양이 전류보다 열로 소실된다. 하지만 몇몇 물질은 여분의 에너지가 여분의 전자를 생산한다. 

MIT팀은 이제 그 현상이 일어나는 메커니즘을 명확히했고, 고효율 태양전지를 만들기 위해 특별한 물질을 이용하기 위한 디자인 가이드를 제시했다. 

대부분의 태양전지 물질에서는 하나의 포톤이 분자를 여기시킬 에너지를 전달하여 전자 하나를 방출한다. 하지만 분자를 여기시키고도 남을 고에너지 포톤일 때도 여전히 전자 하나 밖에 방출하지 못한다. 

몇몇 유기 분자는 위 규칙을 따르지 않고 고에너지 포톤당 1개 이상의 전자를 발생시킨다. 이 현상을 singlet exciton fission이라고 한다. 

exciton fission은 지금 다양한 물질에서 우연히 발견되고 있다. 

그들은 4가지 exciton fission 분자 샘플을 제작했는데 그 샘플들은 “spinach의 다양한 종류로 장식됐다. spinach는 분자의 화학적과 물리적 특성 변화없이 분자의 간격을 변화시키는 덩치가 큰 원자의 측면 그룹이다. 

그들은 4 가지 샘플에 대해 fission rate을 성공적으로 예측했다. 

더우기, 그들은 1960년대의 제안된 고전 메커니즘을  다시 한번 확인했다: 여분의 에너지가 exciton fission 분자에 주어지면 여기 분자의 전자는 여기되지 않은 인근의 분자의 전자와 위치를 교환한다. 여기서 여기 전자가 떠날 때 뒤에 약간의 에너지를 남겨 두어 두 분자 모두 전자를 방출한다. 



연구원들은 분자 패킹이 fission rate에 매우 중요하다는 것을 보여준다. 분자들이 서로 가까이에 있다면 전자가 매우 빨리 움직일 수 있어서 분자들 전자를 주고 받는 것을 조정할 시간이 없다.


정말 중요한 인자는 올바른 고유의 에너지 준위를 갖는 물질을 고르는 것이다.  

참고: http://newsoffice.mit.edu/2014/getting-more-electricity-out-solar-cells-0507


2014년 5월 10일 토요일

태양전지 기술

☉ 왜 태양광 발전인가?
    - 화석 연료가 야기시키는 환경 오염을 막고 앞으로 도래할 협력적 공유 사회를 위한 재생 에너지로서 필요하다. 



☉ 태양광 발전 보급이 활성화 되기 위해서는
    - 일단, 태양전지의 LCOE(levelised cost of electricity)가 탄소 기반의 것 보다 낮아야 한다. 


☉ 사용자 
    - 단독 주택 소유자, 기업, 에너지 회사, 공동체
   

☉ 태양전지 기술 




(참고: https://mitei.mit.edu/system/files/Chapter%202_compressed.pdf)



종류특징경쟁력전하 캐리어 수명/확산 거리 신뢰성효율
기록
문제점
Wafer 기반 c-Si-광흡수 물질: Si
-광생성 소수 캐리어는 즉시 자유롭게 움직임
-Si의 간접 밴드갭 특성으로 광흡수율이 낮아 Si wafer의 두께가 두꺼워야 함
:Wafer 두께:140~200 um
-p-n 정션에 의한 built-in potential에 의해 자유 캐리어(전자와 홀)가 분리된다. 
-잘 발달된 관련 산업

-주류 태양전지(설치된 태양광 전력의 90% 차지) 
-수명:1 ms

-확산 거리: 100~300 um
-25년 이상 보증-셀:25.6%(Panasonic HBC 셀 구조, @143.7 cm^2)

-모듈:22.8% @ aperture (SunPower, IBC panel, 12×8 cell, cell 크기 153.5 cm2)
-제조공정 복잡

-고공정 비용
DSSCs
(염료 감응 태양전지)
-광전기화학 시스템으로써 광반응 애노드(TiO2)와 전해질 사이에 형성된 반도체(염료)에 기반
-광흡수 물질: 염료
-전하 분리는 전자 수송 물질(TiO2)과 염료 계면에서 일어난다.

-전기화학적 에너지 구배(gradient)가 전하를 각 수집 전극으로 이동시킨다. 
-저방사(흐린 날)/저조도(실내광)에도 동작
-염료와 TiO2 모두 용액 공정 가능
-여러 염료의 조합으로 광흡수 대역 튜닝 가능

-고온과 빛에 의한 장기 수명 개선 필요12.3% -NIR의 낮은 흡수
-낮은 Voc
:계면 재결합이 원인
유기
(폴리머);  벌크 이종접합
-광흡수 물질:폴리머
-광흡수로 부터 exciton 생성(exciton 결합 에너지: ~0.25 eV(실온에서 열에너너지는 0.025 eV). ❊Si 태양전지에서의 exciton 결합에너지:~meV )

-유전상수: 3~4(높은 exciton 결합에너지와 관련 있음)

-이종접합에 의한 유효 필드는 exciton을 깨뜨려 전자를 도너의 conduction band에서 업셉터의 conduction band로 떨어뜨린다. 
-저가
:인쇄 공정 가능(롤-투-롤, 잉크젯, 열증착)
:진공과 고온 공정 불필요

-경량

-플렉서블

-반투명

exciton 확산 거리: 3~10 nm-단수명(빛에 의한 열화)11.1%-저효율(전하 캐리어의 낮은 이
동도와 높은 재결합이 원인)

-낮은 강도
CdTe-광흡수 물질:CdTe
-Si에 비해 광흡수가 10~100배 좋아서 광흡수층 두께는 수 um이면 충분
-직접 밴드갭 물질
-고속 생산 공정
:가장 낮은 모듈 생산 단가

-셀 크기가 대면적


21.0%-독성 금속(Cd)과 희소 금속(Te) 사용
페로브스카이트(유/무기 할로겐 화물)-광흡수 물질:페로브스카이트
-높은 광흡수 계수(1.5×10^4 cm-1 @550 nm)

-광흡수와 캐리어 수송 역할을 동시 수행한다.

-밴드갭 튜닝 가능
:양이온과 음이온 치환에 의해


-고효율

-값싼 재료

-용액 공정(spin-coating, blade-coating, drop casting, spraying, inject, printing, gravure printing, slot-dye coating)

-착색/반투명

-플렉서블
-확산 거리:  다결정일때  > 1 um, 단결정일때 >175  um.


-약 20일22.1%(NREL 인증)-단수명 ( 습기에 취약)

-독성(Pb)


☉ 지표면에서 태양광 포톤 플럭스와 서로 다른 종류의 태양전지에 대한 정규화된 EQE



- CdTe: 1.45 eV, CIGS: 1.04~1.68 eV)
(참고: https://mitei.mit.edu/system/files/Appendix%20B_compressed.pdf)














  

2014년 5월 9일 금요일

태양전지 Q&A

1. 암전류란?

암전류(dark current) 밀도는 태양전지 내의 전자-홀 재결합비를 넓게 표현한 것입니다. 그런 의미에서 누전(누설 전류)이라고 도 할 수 있겠죠. 

재결합에는 벌크 또는 표면 결함에 의한 SRH(shockley-Read-Hall) 재결합, 접촉 재결합, Auger 재결합 등이 있습니다. 


태양전지가 이상적인 다이오드 거동을 따른다고 가정 하면 암(dark) 상태와 광 조사 상태에서의 거동을 중첩(superposition)시키면 다음 식이 됩니다. 


             nkT        Jsc
Voc ≈    ----- ln( ------- )
              q            J0


여기서, Voc는 개방전압, Jsc는 단락전류 밀도, J0는 암전류 밀도, n은 이상 계수(ideality factor), k는 볼츠만 상수, T는 절대 온도, q는 전자 전하량 입니다. 


J0를 포화 전류 밀도(saturation current density) 또는 재결합 전류 밀도(recombination current density)라고도 부릅니다. 


이 식을 유도할 수 있다면 태양전지의 기초 이론을 마스터한 것입니다. 그리고 유도할 줄 몰라도 의미만 알아도 끝입니다. 


위식에도 보듯이 Voc을 최대화하려면 Jsc를 최대화하는 동시에 J0을 최소화해야한다는 것을 알 수 있습니다. 

2014년 5월 5일 월요일

환경 친화적인 요소가 광전 소자의 다음 큰 것을 계속 발전시키다


(그림 1⎜a, CH3NH3SnI(3-x)Br(x) 흡수체의 결정 구조. b, CH3NH3SnI3을 위한 실험(적색)과 계산(흑색)된 XRD 패턴. c, 광흡수 및 PL 스펙트럼. d, 용액 공정으로 제조된 CH3NH3SnI3을 위한 공정 온도에 따른 전도도와 Seeback 계수. )

Northwest 대학 연구원들은 광수확기로 Pb 페로브스카이트 대신  Sn을 사용해서 최초로 새로운 태양전지를 개발했다. 효율은 5.73%이다. 

그들의 고체 Sn 태양전지의 특징은 대부분의 가시광 스펙트럼을 흡수할 수 있고, 페로브스카이트 염은 쉽게 용해되고 용매를 제거하면(열처리가 필요 없음) 다시 페로브스카이트가 된다. 

광학 밴드갭이 1.55 eV인  CH3NH3PbI3 보다 낮은 1.3 eV의 CH3NH3SnI3와 홀 수송층인 spiro-OMeTAD가 결합된 소자는 950 nm에서 광흡수 개시를 보였다.

CH3NH3SnI3는 1 × 10^14 cm^-3의 낮은 캐리어 농도를 가지며 전자 이동도는 대략 2000 cm^2/V/S인데 이 물질과 밴드갭이 비슷한 기존 반도체의 전자 이동도에 비해 동등 이상이다.

CH3NH3SnI3는 제조 방법에 따라 특성이 크게 바뀔 수 있다. 캐리어 농도가 1 × 10^19 cm^-3 까지 증가 할 수 있는데 강한 p형 특성과 금속 거동을 띈다. 이 현상은 SnI2에 본질적으로 존재하는 Sn4+ 불순물의 영향이라고 생각된다. SnI2는 TGA(thermal gravimetric analysis) 통해 ~150 °C에서 무게 감소가 발생한다. 따라서 셀 제조시 과도한 Sn4+가 발생하지 않도록 CH3NH3SnI3 층 위에 형성되는 층들은 세심하게 제조되어야 한다.

고체 Sn 태양전지 구조는 5개 층이 샌드위치되어 있다. 1층은 전도성 유리이고 태양광이 셀로 입사되게 한다.  TiO2층이 다음 층이고 이 두 층이 전면 전기 접촉 층의 역할을 한다.

TiO2 층의 경우 ALD로 증착된 두께 30 nm의 조밀한 TiO2 막 위에 다공성 anatase TiO2 막(두께 ~ 300 nm)이 스핀 코팅법으로 형성되어 있다.



(그림 2 ⎜완성된 CH3NH3SnI3 페로브스카이트 광전지의 단면 SEM 이미지)


그 다음 층으로 광흡수층인 Sn 페로브스카이트(CH3NH3Sn3-xBrx)를 스핀 코팅법으로 형성 한다. 이 때 산화와 가수분해를 방지하기 위해 N2 글러브 박스 안에서 공정이 이루어진다. 

홀 수송층(spiro-OMeTAD)을 글러브 박스에서 광흡수층과 다공성 TiO2 막 위에 코팅시킴으로써 전기 회로를 완성한다. 여기서는 홀 수송층이 아래층인 페로브스카이트 층을 파괴하지 않게끔하는 올바른 화학이 필요하다. 

다공성 TiO2 막 내에는 페로브스카이트 나노 결정이 침투해 들어가 있다. 홀 수송 물질(HTM, hole transport material)은 페로브스카이트/TiO2 층에 남은 기공 속으로 스며들어가고 이 복합 구조 위에 두께 200 nm의 캡핑층을 형성한다.

마지막으로 박막 Au가 후면 접촉 전극으로 형성된다. 전체 소자 두께는 1~2 um 정도이다.



(그림 3 ⎜CH3NH3SnI(3-x)Br(x) 페로브스카이트 소자의 광전지와 IPCE 특성 )

Jsc가 16 mA/cm^2으로 꽤 높은 편인데 이는 페로브스카이트 물질의 큰 광흡수 단면적과 HTM이 계면에서 기공 충진이 좋기 때문이다.

특히 CH3NH3SnI3 페로브스카이트의 ICPE는 전체 가시광 스펙트럼을 커버하고 600~850 nm 파장대에서 60% 이상의 최대 흡수를 보인다.

하지만 CH3NH3SnI3 광전 소자의 Jsc는 CH3NH3PbI3 광전 소자에 비해 낮다. 그렇지만 CH3NH3SnI3의 밴드갭이 1.3 eV이기 때문에 만약 1.3 eV의 AM1.5G 스펙트럼에 대해 적분하여 Jsc를 구해 보면 CH3NH3SnI3의 Jsc는 30 mA/cm2을 넘길 수 있다.

Jsc에 대한 제한 인자를 알기 위해 다공성 TiO2의 두께를 ~150 nm로 낮췄다. 이때 ~12 mA/cm^2의 Jsc를 얻었다. 따라서 Sn 페로브스카이트의 확산 거리가 소자 성능의 주요 제한 요소가 아니다라는 것을 알 수 있다.

스핀 코팅된 CH3NH3SnI3 막의 모폴로지가 SEM에 의해 조사되었다. 다공성 TiO2 전극 위에 Sn 페로브스카이트의 좋지 못한 모폴로지가 관찰되었다. 향후 소자의 최적화를 위해 Sn 페로브스카이트 막질 향상과 계면 재결합 억제가 필요하다.

최근 연구 결과는 반도체 TiO2 전극에 비해 페로브스카이트 흡수체 물질 내에 고밀도 전하가 축척되어 있다는 것을 보여준다. 따라서 페로브스카이트 태양전지의 Voc는 HTM 포텐셜과 TiO2의 conduction bandedge 사이의 에너지 차이와 관계되어 있을 뿐 아니라 HTM 포텐셜과 페로브스카이트 자체의 conducton bandedge 사이의 에너지 차이와도 상관관계가 있다.

CH3NH3SnI3의 conduction bandedge가 CH3NH3PbI3 보다 ~0.24 eV 낮기 때문에 CH3NH3SnI3 페로브스카이트 소자의 Voc가 낮다.

따라서 Voc를 증가시키기 위해 I 원자를 Br 원자로 화학적 치환이 밴드갭 튜닝을 유리하게 하기 위해 적용됐다.

CH3NH3SnI(3-x)Br(x) 화합물을 제조하기 위해 CH3NH3X와 SnX2 (X = I or Br)을 화학양론에 맞게 N2 글러브 박스에 있는 유발에서 미세하게 균질화하면서 혼합했다.

결과물인 고체는 1 × 10^-4 mbar 진공하에서 실리카 앰플 속에 밀봉되고 반응을 완료하기 위해 200 °C에서 열처리 됐다.


(그림 4⎜XRD 패턴, 흡수 스펙트럼 그리고 CH3NH3Sn(3-x)Brx 화합물의 에너지 준위 다이아그램의 도식도)

그림 4a의 XRD 패턴 결과로 부터 이 화합물 시리즈는 상온에서 구조적 전이를 보이지 않고 연속적인 고용체(solid solution)을 형성한다는 것을 알 수 있다. CH3NH3SnI3에서 CH3NH3SnBr 끝성분(end members)로 격자 매개 변수의 지속적인 수축이 밴드갭을 넓힌다.

그림 4b는 CH3NH3Sn(3-x)Br(x) 화합물의 흡수 개시가 954 nm에서 577 nm 까지 튜닝 될 수 있다는 것을 보여준다. 따라서 페로브스카이트 광전지 소자를 위한 중요한 색깔 조정성을 얻을 수 있다.

CH3NH3SnI(3-x)Br(x)의 화학 조성 제어로 소자의 색깔은 검은색(CH3NH3SnI3)과 짙은 갈색(CH3NH3SnI2Br) 그리고 황색(CH3NH3SnBr3)로 튜닝가능하다.

그림 4c의 밴드 얼라이먼트 다이아그램으로 부터 CH3NH3SnI(3-x)Br(x) 화합물의 밴드갭의 변화는 conduction band가 높은 에너지로 이동했기 때문이다. 이때 valence band 에너지는 실질적으로 거의 변화지 않았다.


(표1 ⎜CH3NH3SnI(3-x)Br(x) 페로브스카이트의 공학적 밴드갭과 격자 변수 그리고 그에 대응하는 태양전지 소자 성능 변수)

표1에서 보듯이 Br이 증가할 수록 Jsc는 감소하지만 Voc와 FF이 증가한다는 것을 알 수 있다.

Sn 기반 페로브스카이트 태양전지는 Pb 기반의 것과 비교했을 때 대기 안정성이 떨어지는 것이 문제점이다.

CH3NH3SnI2 페로브스카이트 태양전지의 예비 안정성을 조사하기 위해 소자를 surlyn 필름으로 실링한 후 N2 글러브 박스에 보관했다. 놀랍게도 12시간 동안 초기 성능의 80%을 유지했다. 성능 저하는 주로 Jsc와 FF에서 일어 났다. 그 이유는 제조 과정 중 Sn2+ 산화에 의한 p type 도핑 때문이다. 


참고: http://phys.org/news/2014-05-environmentally-friendly-solar-cell-big.html, Lead free solid-state organic-inorganic halide perovskite solar cells, Feng Hao, et al., Nature Photonics, VOL 8, JUNE 2014