2014년 7월 25일 금요일

나방의 눈이 기존과 다른 태양전지에 영감을 주다

나방의 눈은 포식자를 피하기 위해 거의 모든 입사광을 흡수한다. 스위스 연구자들은 매우 효과적으로 태양광을 흡수하는 셀을 위해 나방 눈의 구조를 이용했는데 나방 눈과 비슷한 구조내에 산화철의 광흡수 특성을 접목한 셀을 개발했다. 





산화물 이종접합을 포함하는 막은 광전기화학 셀에서 물 분해를 위한 전극으로 점점 더 활용되고 있다. 적철석(α-Fe2O3)와 산화 텅스텐은 이 목적을 위해 매력적인 이종접합을 형성한다. 

여기서 문제점은 적철석의 짧은 전하 캐리어 확산거리다. 초박형 적철석이 이 낮은 전도도 이슈를 해결하기 위해 구현되었다. 그럼에도 불구하고, 그러한 초박막은 효과적으로 광을 흡수하지 못했다. 그래서 그들은 적철석 내에 광 경로 길이를 증가시키기 위해 광 포획 기술을 이용했다. 

그들은 산화 텅스텐 코어와 껍데기로 마이크로 미터 두께의 적철석으로 되어 있는 나노구상체 어레이로 이루어진 박막을 형성하기 위해 vesicle suspensions을 개발했다. 

참고: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c4ee00380b#!divAbstract

singlet fission이 태양전지 효율을 30% 만큼 증가시킬 수 있다

현재의 태양전지가 하나의 포톤을 받으면 하나의 exciton을 생성되고 그 뒤에 하나의 전자-홀쌍으로 분리된다. 이 태양전지의 효율은 Shockley-Queisser 한계에 의해 약 32%으로 제한된다. 

하나의 포톤이 흡수되면 그 에너지는 물질내에서 exciton의 형태를 띈다. Exciton은 전자 스핀에 의해 2가지로 나뉜다; 모든 전자 스핀이 쌍을 이루고 있으면 singlet라고 하고 전자 스핀이 쌍으로 이루어져 있지 않으면 triplet라고 한다. 유기 태양전지에서는 이 두 종류의 exciton은 서로 다른 에너지를 갖는다. 



만약 triplet exciton 에너지가 singlet exciton 에너지의 반이라면 하나의 포톤에 의해 생성된 하나의 singlet exciton은 2개의 triplet exciton으로 분리되는 것이 가능하다. 

광을 흡수하기 위해서는 포톤 에너지는 반도체의 밴드갭 보다 커야 한다. 만약 밴드갭 보다 큰 에너지의 포톤이 흡수되면 초과 에너지는 보통 열로 버려진다. 비결은 고에너지의 exciton의 일부가 열로 소실되기 전에 2개의 exciton으로 분리시키는 것이다. 

Singlet exciton은 자발적으로 서브 ns 동안 2개의 triplet exciton으로 분리된다고 한다.  


참고: http://ucrtoday.ucr.edu/23698

2014년 7월 20일 일요일

새로운 안정성과 비용 절감형 페로브스카이트 태양전지

페로브스카이트 태양전지는 홀 수송층을 사용하는데 이렇게 하면 빛 노출시 전류 흐름을 향상시킬 수 있다. 하지만 홀 수송 유기 물질을 제조하는데 비용이 너무 많이 들고 장기 안정성이 부족하다. 

중국과 스위스의 과학자들은 홀 수송층을 사용하지 않고 페로브스카이트 태양전지의 효율 12.8%를 확보했다. 또한 주위 온도와 직사광 아래에서 1,000시간 이상의 안정성을 얻었다.

지금까지는 홀을 전자와 멀리 떨어뜨리는 것이 재결합을 막기 위한 필수라고 생각했지만 홀 수송층을 없애도 큰 문제는 되지 않았다. 

그들은 다공성 탄소 필름을 통해 PbI2, methylammonium(MA) iodide, 그리고 5-ammoniumvaleric acid(5-AVA) iodide의 용액을 drop-casting하여 새로운 태양전지를 제조했다. 



이 태양전지의 발판은 다공성 탄소 필름이 덮혀 있는 TiO2와 ZrO2의 이중층으로 만들어졌다. 5-AVA 탬플릿은 낮은 결함 농도와 더 좋은 기공 충전 뿐아니라 TiO2 발판과 더 완벽하게 접촉할 수 있는 혼합-양이온 페로브스카이트 (5-AVA)x(MA)1-xPbI3을 생성시켰다.  

결과물인 페로브스카이트 결정은 기존의 MAPbI3에 비해 더 긴 exciton 수명과 더 큰 양자 수율을 보였고 또한 현저하게 높은 안정성을 보였다. 

참고: http://phys.org/news/2014-07-stable-cost-cutting-perovskite-solar-cell.html


2014년 7월 19일 토요일

페로브스카이트 태양전지 제조

SnO2:F 유리 기판
SnO2:F 막 패 턴← Zn 금속 입자와 탈이온수에 희석된 2 M HCl으로 에칭
기판 세척 ← 세제를 이용한 초음파, 아세톤/에탄올 세척, 깨끗하고 건조한 공기로 드라이
30 nm TiO2 막 형성← 전구체로 titanium isopropoxide(TTIP)와 물을 이용해서 ALD로 형성
20 nm 크기의 입자로 이루어진 다공성 TiO2 막 형성← 에탄올에 희석된 수열 합성된 TiO2 페이스트를 사용해서 30초 동안 4,500 r.p.m으로 스핀 코팅
120 °C 건조
500 °C, 15 min 열처리
0.02 M TiCl4 수용액 처리← 70 °C, 30 min
세정 및 건조← 탈이온수로 린스, 500 °C, 20 min
재열처리 ← 500 °C, 30 min
CH3NH3SnI(3-x)I(x) 막 형성 ← 70 °C에서 저으면서 N,N-dimethylformamide에 30 wt%로 CH3NH3SnI(3-x)I(x)을 용해시킨다. 용액은 전체 공정 동안 70 °C로 유지시킨다. 4,000 r.p.m으로 45 s 동안 스핀 코팅한다.
막 건조 ← 125 °C, 30 min (용매 제거)
HTM(spiro-OMeTAD) 형성← 4,000 r.p.m, 30 s
100 nm Au 형성 ← 열증착 공정
실링← 230 um hot-metling 폴리머를 이용해서 N2 박스에서 실링 후 슬라이드 유리로 덮어 산화 방지

참고: Lead free solid-state organic-inorganic halide perovskite solar cells, Feng Hao, et al., Nature Photonics, VOL 8, JUNE 201

2014년 7월 12일 토요일

장수명을 위한 유리에 임베디드된 유기 태양전지




Fraunhofer IAP(institute for applied polymer) 팀은 유기 태양전지(OPV, organic photovoltaics)의 구성 물질을 더 잘 보호하기 위한 캐리어 기판으로써 플렉서블 유리를 연구하고 있다. 

OPV는 Si 기반 태양전지의 대안으로 떠오르고 있는데 OPV 물질은 대기압에서 공정이 가능하고 제조 비용과 복잡성을 줄일 수 있는 인쇄 기술을 활용할 수 있기 때문이다. 

하지만 OPV의 문제점은 Si 기반 태양전지에 비해 상대적으로 낮은 9%의 효율 수준 보다 단수명이 더 문제다. 

그들은 OPV 모듈을 얇은 유리 기판으로 감쌌는데 유리는 이상적인 봉지 재료일 뿐 아니라 최대 400 °C 까지 공정 온도를 견딘다. 

그들은 코닝에서 만든 특수 유리를 이용했다. 그 유리 두께는 100 um이고 파절 저항성(fracture resistance)이 있을 뿐 아니라 플렉서블 하다. 또한 이 코닝 유리의 WVTR(water vapor transmission rate) 계수는 10^-6 g/m2/day이며 barrier foil의 10^-2~10^-5 g/m2/day에 비해 낮아 우수한 봉지 특성을 보인다. 

그들의 목적은 OPV 모듈을 롤 형태로 제조하는 하는 것이다. 즉 roll-to-roll 공정이 가능하도록 하는 것인데 이렇게 되면 OPV 모듈은 1~10 m/min으로 생산될 수 있다. 


참고: http://optics.org/news/5/7/18

2014년 7월 6일 일요일

양자점 태양전지가 효율 증가를 보이다

Los Alamos 과학자들은 나노 엔지니어링된 양자점으로 거의 4배의 캐리어 증폭 수율 증가를 보였다. 

일반적인 태양전지는 태양광 스펙트럼의 넓은 부분을 흡수하지만 열전하 캐리어의 빠른 냉각에 의해 청색과 자외선의 여분의 에너지가 열로 낭비된다. 

이 에너지는 캐리어 증폭(carrier multiplication)을 통해 추가적인 광전류로 변환될 수 있다. 열전자가 valence band의 전자와 충돌하면 그 전가가 밴드갭을 가로질러 여기된다. 

기존의 양자점에서 캐리어 증폭은  실용적 소자의 출력을 높이는데 충분히 효율적이지 못했다. 



그들은 PbSe/CdSe로 만들어진 알맞게 엔지니어링된 코어-셀 구조가 간단한 PbSe 양자점 보다 캐리어 증폭 수율을 4배 향상시킬 수 있다는 것을 보였다. 

이 큰 향상은 주로 hot hole의 비정상적인 느린 포논 이완으로 부터 기인하는데  hot hole은 내부 밴드에 트랩된다. Hot hole은 두꺼운 CdSe 껍질내에 있는 고에너지 준위에 트랩된다. 

이 hot hole의 긴 수명은 다른 이완 메커니즘을 가능하게 하는데 hot hole이 코어에 지역화된 valence band 전자와 충돌을 통해 캐리어 증폭을 매우 효과적으로 만든다. 

느린 캐리어 냉각 효과를 증명하기 위해 그들은 특별히 두꺼운 CdSe껍질로 이루어진 PbSe 양자점을 제조했다. 

PbSe/CdSe 양자점은 껍질로 부터 꽤 밝은 가시광 방출과 동시에 코어로 부터 적외선 방출을 보였다. 

이것은 interband 냉각이 크게 둔화된 것을 의미한다. 그래서 홀이 껍질내에 오래 머무를수 있어 광출 충분히 방출한다. 


참고: http://www.solar-international.net/article/94373-Quantum-dot-solar-cells-show-efficiency-gains.php

2014년 7월 4일 금요일

어떻게 유기 태양전지가 동작하는가?

과학자들은 어떻게 빛이 유기 태양전지의 화학물질을 여기시켜 전하를 생성시키는지 알아냈다. 

유기 태양전지는 새로운 형태의 광전지 다이오드인데 폴리머 반도체와 플러렌 파생물의 혼합물 기반으로 만들어진다. 

태양전지의 전체 효율은 광에 의해 생성된 전와 홀이 얼마나 재결합하지 않느냐와 얼마나 분리되느냐를 비교하는 것이다.



폴리머 반도체에서 전하는 폴라론(polaron)이다. 이 의미는 과잉 전하가 폴리머 체인 내의 분자 구조를 변형시킨다는 것이다. 이것이 폴리머 진동 모드에서 뚜렷이 구별되는 특징을 준다. 

그들은 펨토초 자극 라만 분광기(femtosecond stimulated Raman spectroscopy)를 이용해서 2가지 주요 발견을 했다. 펨토초 자극 라만 분광기는 엄청나게 빠른 화학 반응 동안 어떻게 화학 결합이 변화는지를 상세하게 알려준다. 

레이저 펄스가 분자와 상호작용하여 분자의 진동에 대한 정보를 알 수 있다. 이 진동에 대한 매우 복잡한 계산은 분자가 어떻게 거동하는지를 알려 준다. 

그들이 발견한 첫번째는 전자가 postive center에서 벗어나면 째빠른 분자 재정렬이 신속하게 일어고 300 펨토초 내에 폴라론이 나타난다는 것이다. 이 신속함과 속도는 전하 분리를 유지하도록 도움을 준다. 


두번째 발견은 초기 전하 분리 후 어떤 진행중인 이완과 분자의 재조직화 정도는 매우 작다는 것이다. ≳50 ps 동안 구조적 진화는 그다지 중요하지 않다는 의미인데 초기 폴라론을 포함하고 있는 폴리머의 형태는 주변의 폴리머와 크게 다르지 않다.  이것으로 부터 그들은 전하가 mutual Coulomb potential로 부터 자유로워질 수 있다는 것으로 이해했다.



참고: http://www.redorbit.com/news/science/1113182724/how-plastic-solar-panels-work-070114/