2014년 8월 23일 토요일

유기 벌크 이종접합 태양전지에서 분자 배향 영향

유기 벌크 이종접합(bulk heterojuction, BHJ) 태양전지에서 전자 도너와 전자 업셉터 물질이 광활성층내에 이종계면의 분산 네크워크를 형성한다. 여기서 중요한 광물리 과정이 일어난다.

하지만 이 계면의 구조적 특성에 대해 조금 밖에 알지 못하고 있다. 본 연구는 도너/업셉터 계면에 대한 분자 배향이 플러렌 기반 벌크 이종접합 태양전지의 고효율 실현에 중요한 변수라는 것을 보인다. 

연구자들은 resonant soft x-ray scattering을 이용해서 이종계면에 대해 face-on 또는 edge-on 배향을 나타내는 order parameter로 분자 배향의 정도를 특성화했다. 

분자 화학의 선택과 처리 용매의 특성을 통해 분자 배향의 정도를 조작함으로써 연구자들은 벌크 이종접합 유기 태양전지에서 이 구조 변수의 중요성을 보인다. 

고효율 소자는 BHJ 박막(100~250 nm)을 얻기 위해 전자 도너 폴리머와 전자 업셉터 플러렌 분자를 일반 용매로 부터 캐스팅하여 만들어지고 있다. 하지만 일반 용매로 캐스팅하면 종종 도메인 크기, 도메인 순도 그리고 결성성으로 분류되는 매우 복잡한 모폴로지를 이끈다(그림 1a).




모폴로지 특성에서 반도체 폴리머의 전자 궤도의 고유의 구조적 비대칭 때문에 폴리머의 결정화 정도와 전극에 대한 평균 결정 방향이 많은 유기 전기 소자의 성능에 있어서 중요한 인자이다.

이 물리화학적 비대칭에 의한 전자 업셉터 플러렌 근처의 지역 폴리머 배향이 소자 성능에 큰 영향을 주는데 이 계면에서 광유도 전하 캐리어의 분리와 결합이 일어나기 때문이다. 

이 논문은 도너/업셉터 이종계면에 대한 폴리머 배향은 BHJ 소자에서 우선적으로 face-on(그림 1b)와 edge-on(그림 1c)을 채택할 수 있고 이것이 소자 성능을 결정하는 중요한 변수라는 것을 보인다. 

Resonant soft x-ray 산란을 이용하여 폴리머 백본에 불소 치환과 용매 공정이 분자 배향에 변화를 주고 Jsc와 FF와 상관관계가 있다는 것을 알았다. 

참고: The influence of molecular orientation on organic bulk heterojunction solar cells, John R. Tumbleston, et al., Nature Photonics⎜VOL 8⎜MAY 2014.

2014년 8월 22일 금요일

페로브스카이트의 상용화 도전

상용화를 위한 핵심 전제 조건은 현 기술 대비 강력한 시장 우위가 있느냐이다. 

페로브스카이트의 경우, 그러한 우위는 낮은 공정 비용, 텐덤 소자 구조를 통한 고효율, 플렉서블하고 부분적으로 투명함일 것이다. 

Pb에 의존하는 현재의 페로브스카이트는 환경 문제 때문에 소비자용와 BIPV용 제품에 영향을 미친다. 그리고 상대적으로 약한 견고성은 시장 진입을 어렵게 한다. 

가격 관점에서 페로브스카이트는 CdTe와 경쟁해야한다. 페로브스카이트 모듈이 CdTe 모듈에 비해 틀림없이 더 쉽게 제조될 수 있지만 단위 면적당 가격에 크게 영향을 미치지 않을 것 같다. 

왜냐면 전체 가격은 주로 일반적인 재료 가격에 의해 결정되기 때문이다. 특히, 페로브스카이트 모듈은 고가의 갭슐화를 요구한다.  

페로브스카이트 모듈의 잠재력은 텐덤 셀이다. 제조 비용을 크게 증가시키지 않고 CdTe 대비 확실히 효율을 증가시킬 수 있기 때문이다. 

페로브스카이트 모듈과 CdTe 모듈 둘 다 독성 물질을 사용하고 있어 환경 이슈가 있다. 다행히 RoHS 규제에는 제외되어 있지만 폐기시 환경에 대한 우려가 있다. 

현재의 페로브스카이트의 습한 공기와 수증기에 대한 낮은 견고성은 CIGS와 가장 밀접하게 관련이 있다. 

최근 플렉서블 CIGS 모듈에서 캡슐화 가능성 연구에서 ‘통기성(breathable)’ 디자인은 적당하지 않다는 결론이 났다. 

물이 스며드는 것을 효과적으로 막기 위한 층이 필요하고 또한 상대적으로 낮은 수분 포화를 유지하기 위한 높은 수분 용해도를 갖는 내부 캡슐층이 필요하다. 

상용 CIGS 모듈은 수분 침투를 막기 위해 에지 밀봉과 더불어 이중 유리 층을 이용하고 있다. 

또 다른 대안으로 Al2O3 층을 적용하는 것이 있다.   


참고: The emergence of perovskite solar cells, Martin A. Green, et al., Nature Photonics⎜VOL 8⎜JULY 2014.

2014년 8월 17일 일요일

페로브스카이트 태양전지 소자 동작



페로브스카이트 태양전지 소자의 핵심 동작 과정은 다음과 같다. 

페로브스카이트의 광여기(1), TiO2로 전자 이동(2), HTM으로 홀 이동(3)(또는 HTM에서 페로브스카이트로 전자 이동), 광생성 종의 재결합(4), TiO2/페로브스카이트 계면, HTM/페로브스카이트 계면, 그리고 TiO2/HTM 계면에서의 back charge transfer(5,6,7).

고성능을 위해서는 4~5 과정은 전하 생성과 추출 과정인 1~3 과정보다 느리게 일어나야 한다. 

페로브스카이트 층이 두꺼울 수록 광생성 캐리어 수송이 중요하다. 여러 연구 결과에서 캐리어 확산 거리가 페로브스카이트 층의 두께 보다 크다는 것이 밝혀졌다. 

최근, EBIC(electron beam induced current)을 이용하여 막 단면에 걸쳐 전하 수집을 직접적으로 검출했다. 그림 4b의 일반적인 라인 스캔은 2가지 흥미로운 특징을 갖고 있다. 여기서 EBIC 분석을 위해 페로브스카이트의 두께는  1,500 nm이다.

첫번째는 페로브스카이트 막 내에 EBIC 신호의 이중 피크이다. 이것은 spiro-OMeTAD HTM 근처와 TiO2+FTO ETM 근처 모두에서 생성된 캐리어가 수집된 것인데 셀의 양극성 특성을 나타낸다. 

두번째는 두 피크 사이의 딥(dip)은 페로브스카이트의 두께가 최적 두께 보다 상당히 두꺼워 생성된 전하가 각 접촉으로 이동하는 중에 상당한 재결합이 일어나기 때문이다.  

이 특징은 소자의 열평형 에너지 밴드 다이아그램을 그려 보면 이해할 수 있다(그림 4c.). 페로브스카이트에서 포텐셜 변화는 HTM층 보다 밀한 TiO2층의 낮은 일함수 때문이다. 이것이 HTM층에 홀이, ETM 층에 전자가 모이게 한다.  


각 밴드 에지의 기울기는 local 전기장을 주는데 HTM과 ETM 근처에서 가장 강하다. 

HTM/페로브스카이트 계면에서의 EBIC 신호가 낮은 것은 높은 전자 재결합 속도 때문이다. 이것은 그림 4a.의 back charge tranfer에 해당한다. 


TiO2/페로브스카이트 계면에서는 EBIC 신호가 훨신 더 크다. 이것은 이 계면 근처에 dead layer가 없고 TiO2 자체가 생성시키는 전하가 EBIC 신호에 기여를 한다는 것을 암시한다. 


참고: The emergence of perovskite solar cells, Martin A. Green, et al., Nature Photonics⎜VOL 8⎜JULY 2014.

2014년 8월 16일 토요일

태양전지를 직물로 짜다

직물로 짤 수 있는 태양전지 섬유는 웨어러블 소자에 전력을 제공할 수 있다. 

중국의 과학자들은 전자 섬유로 짤 수 있는 플렉서블 섬유 형태의 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 그들의 제조 공정은 용액 기반 공정이여서 상대적으로 간단하고 제조 비용이 싸다. 



애노드는 밀한 n형 반도체 TiO2가 코팅된 가는 스테인레스 스틸 와이어이다. 뒤이어 다공성 나노결정 TiO2가 코팅된다. 이층은 이후 코팅되는 페로브스카이트 물질인 CH3NH3PbI3에 넓은 표면적을 제공한다.

페로브스카이트를 코팅하기 전에 유기물 OMeTAD를 코팅한다. 마지막으로 캐소드 전극으로 정렬된 다중벽 탄소 나노튜브 시트를 연속적으로 감쌌다. 


이 태양전지의 효율은 3.3%이다.  


참고: http://www.asianscientist.com/in-the-lab/spinning-solar-cells-textiles-2014/

2014년 8월 15일 금요일

Polychiral CNTs가 더 좋은 태양전지를 만들다

박막 태양전지 물질인 단일벽 탄소나노튜브(SWCNTs)는 가볍고 플렉서블한 태양전지를 싸게 만들 수 있게한다. 

SWCNTs는 가시광에서 적외선 파장에 걸쳐 다양한 광을 흡수하며 캐리어 이동이 빠르다. 하지만 전류와 전압은 제한적이다. 



과학자들은 polychiral SWCNTs와 플러렌을 혼합하여 태양광 스펙트럼 파장의 넓은 범위를 흡수하여 광전류량을 최대화했다. 특히, 이 셀은 적외선 부분을 상당히 흡수했다. 

SWCNT는 지름이 1 nm인 튜브로 말린 원자 하나 두께의 탄소시트이다. 시트 내의 원자는 육각형 격자로 배치되어 있고 튜브 축에 대한 이 격자의 상대적인 방향이 chirality이다.  


이전의 CNT 태양전지는 주로 single-chirality CNT로 만들어졌는데 polychiral SWCNT를 이용하면 태양광 스펙트럼의 더 넓은 부분을 흡수할 수 있다. 

참고: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/58220

2014년 8월 14일 목요일

고효율 태양전지를 향해


(큰 구가 Si 나노결정이고 작은 구가 Er 이온이다)

SiO2, Si 나노결정 그리고 Er 이온으로 이루어진 층이 태양전지의 효율 향상을 위해 태양광 스펙트럼의 자외선을 이용할 수 있게 도와줄 수 있다. 

기존의 Si 기반의 태양전지가 자외선을 흡수하면 대부분의 에너지는 열의 형태로 소실된다. 연구자들은 이 초과 에너지가 다수의 Er 이온을 여기시켜 적외선을 방출할 수 있다는 것을 보였다.  

Si 나노결정은 초과 에너지가 열로 소실되기 전에 Er 이온으로 전달한다. 이것이 흡수 포톤당 몇몇 저에너지 적외선 포톤의 방출을 이끌어 여분의 전기를 생산할 수 있다. 

하지만 이 기술은 실험적으로 증명되었지만 태양전지 아키텍처에 아직 사용되지 않고 있다. 

앞으로 일은 Si 나노결정의 크기와 간격, 희토류의 종료와 농도, 그리고 두께를 최적화하여  변환층의 좀 더 개선하는 일이다.  그리고 이 층이 반산방지층 역할을 하는지 알아보는 것이다.  


참고: http://phys.org/news/2014-08-efficient-solar-cells.html

2014년 8월 13일 수요일

새로운 물질이 초박막 태양전지를 가능하게 하다



Vienna Universtiy of Technology의 과학자들은 각각이 3 원자층으로 이루어진 광활성 결정 WSe2과 MoS2 반도체을 성공적으로 결합했다. 

이 헤테로구조(heterostructure)는 초박형이고 반투명하고 플렉서블한 태양전지에 적용될 것으로 기대된다. 

WSe2는 3 원자층으로 이루어져 있는데 W 원자층이 2개의 Se 원자층으로 샌드위치되어 있다. WSe2은 광전기 변환 물질로 사용될 수 있다. 하지만 WSe2로만 만들어진 태양전지는 수 마이크로미터 간격의 셀 수 없이 많은 금속 전극을 필요로 한다. 만약 WSe2가 MoS2와 결합하면 위 문제는 해결된다. 

전자와 홀의 재결합을 막기 위해 전하를 빨아들이는 역할을 하는 전극이 이용될 수 있다. MoS2가 그런 역활을 하는데 홀은 WSe2 안에서 움직이고 전자는 MoS2로 이동한다. 

그들은 WSe2와 MoS2을 적층하기 위해 진공에서 두 층을 열처리하고 대기압에서 적층했다. 두 층 사이의 물을 없애기 위해 한 번 더 열처리 했다. 


참고: http://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/8943/

페로브스카이트 속성



강한 광흡수는 페로브스카이트 셀의 뛰어난 성능의 핵심이다. 그림 3a에서 페로브스카이트 물질은 직접 밴드갭 특성을 보이며 다른 반도체 물질에 비해 넓은 파장영역에서 광흡수 계수가 크다는 것을 알 수 있다. 

페로브스카이의 또 다른 좋은 속성은 다른 박막 다결정 반도체 대비 낮은 비방사 재결합비이다. 따라서 실제 셀의 Voc와 유효 밴드갭 포텐셜(Eg/q) 사이의 차이가 상대적으로 작다. 

이런 페로브스카이트의 특성은 텐덤 셀 스택에서 높은 Eg 셀로써 관심을 끈다. 텐덤 셀 구조에서 높은 Voc는 효율에 상당한 영향을 미치기 때문이다. 

그림 3b는 CH3NH3PbI3 페로브스카이트의 유전 특성을 보여 준다. 낮은 주파수에서 유전 상수가 60.9로 크다. 이 높은 유전상수는 CH3NH3PbI3의 이극(dipolar), 이온 그리고 전자의 기여의 조합의 결과이다.   

여기 주파수가 증가하면 유기 양이온과 관련된 영구 쌍극자가 더 이상 반응할 수 없으며 26.7에서 새로운 유전상수 고원이 생긴다. 

적외선 주파수에서는 이온 성분은 떨어져 나가고 전자 반응만 존재한다. 유전상수는 6.5 까지 떨어지고 비슷한 밴드갭의 무기 반도체의 유전상수 보다 더 낮다.   


참고: The emergence of perovskite solar cells, Martin A. Green, et al., Nature Photonics⎜VOL 8⎜JULY 2014.

2014년 8월 12일 화요일

전기장이 태양전지를 강화시키다

과학자들이 저가의 Zn3P2와 그래핀으로 p-n 접합이 없는 새로운 태양전지 소자를 최초로 개발했다. 이 태양전지는 연간 태양광의 세기가 많이 변하는 지역에 사용할 경우 이상적일 것으로 기대된다.

이 태양전지는 도핑할 필요없기 때문에 고품질의 이종접합을 요구하지 않는다. 그래서 제조 비용이 싸고 인화물과 황화물과 같은 매장량이 풍부하고 친환경적인 물질을 이용할 수 있다.

그들은 Zn3P2과 그래핀으로 간단한 접합으로 생긴 게이트 전압이 그래핀과 ZnP 사이의 에너지 배리어를 튜닝하여 태양전지의 효율을 높일 수 있다는 것을 알았다. 

기존의 태양전지는 일반적으로 전자 에너지 준위가 서로 다른 두 벌크 반도체로 이루어져 있다. 이 반도체들은 전기 배리어를 형성하기 위해 금속 접촉이 된다. 이 전기 배리어는 각 측면으로 부터 전자를 분리시킨다.

여기서 배리어는 서로 다른 높이로 물 탱크을 분리시키는 수력 발전소의 댐으로 비유될 수 있다.

그들은 Cu 위에 성장시킨 그래핀을 Zn3P2 막에 전사시켜 그래핀-Zn3P2 접합을 형성했다. 그리고 난 후 절연층을 그래핀 위에 덮었다. 끝으로 반투명 얇은 top 게이트를 형성했다. 



그래핀-Zn3P2 접합은 그래핀의 페르미 준위를 쉽게 튜닝할 수 있어서 그래핀과 Zn3P2사이의 전기 배리어의 높이를 조절할 수 있다. 음의 게이트 전압일 때는 옴접촉을 보이고 양의 게이트 전압에서는 정류 특성을 보인다. 

그들의 소자는 게이트 전압이 인가되지 않을 때 1%의 효율을 나타냈고 게이트 전압이 2 V일 때 2%의 효율을 보였다. 

그래핀-Zn3P2 접합 기반의 태양전지는 에너지 변환에 유리하도록 전기 배리어를 조정할 수 있기 때문에 연중 일사량 변화가 큰 지역에 유리하다. 


참고: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/58161



2014년 8월 9일 토요일

효과적인 3중 접합 유기 태양전지 디자인이 효율 기록을 세우다



Yang Yang 그룹(UCLA)은 3중 접합 유기 태양전지로 11.5%의 효율을 얻었다. 

유기 태양전지는 일반적으로 도너와 업셉터 물질로 만들어진다. 업셉터 물질은 청색을 흡수하는 플러렌 분자이고 도너 물질은 태양광 스펙트럼을 가능한 많이 흡수하는 폴리머 물질이다. 

하지만 대부분의 유기 반도체는 단지 작은 광 대역폭을 갖는다. 결과적으로 그러한 물질에 기반한 태양전지는 태양광 스펙트럼의 단지 작은 부분만 흡수한다. 

이 문제는 적절하게 설계된 적층 또는 텐덤 구성으로 극복될 수 있다. 여러 유기 물질 각각이 태양광 스펙트럼의 다른 부분을 흡수할 수 있게 튜닝하여 소자의 효율을 향상시키는 것이다. 높은 밴드갭 물질은 단파장 광을 흡수하고 장파장 광은 투과되어 아래 반도체에 의해 흡수된다. 

3-5족 화합물 반도체 다중접합 태양전지는 넓은 밴드갭(2.0~1.85 eV), 중간 밴드갭(1.4~1.2 eV), 낮은 밴드갭(1.0~0.7 eV) 흡수체를 사용한다. 이것은 3중 접합 셀에서 고 전류를 얻기 위한 최적의 구성이다. 

유기 태양전지는 위의 구성을 활용할 수 없는데 그 이유는 밴드갭 1 eV 만큼 낮은 효과적인 도너 물질이 부족하기 때문이다. 그래서 밴드갭 에너지의 실제적인 조합을 설정하는 것이 중요하다. 



그들은 전자 도너로써 서로 다른 밴드갭(1.9, 1.58, 1.4 eV)의 3 물질과 플러렌 파생물을 혼합했다. 이 에너지 밴드 배열로 3중 접합 유기 태양전지를 제조하여 11.5%의 효율을 얻었다. 

특유의 3중 접합 태양전지에서의 문제점은 각 서브셀 간의 복잡한 광 간섭 효과이다. 그래서 각 서브 셀의 흡수층의 두께를 최적화하여 광전류 매칭이 쉽지 않다. 

그들은 이 문제를 해결하기 위해 광학 시뮬레이션을 했다. 결과로써, 완전히 용액 공정으로 만들어 지는 WO3/PEDOT:PSS/ZnO로 이루어진 상호 연결 구조가 유기 태양전지의 특성이 변화지 않는 직교 공정(orthogonal processing)의 장점을 준다는 것을 알았다. 

참고: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=36745.php

2014년 8월 2일 토요일

현재까지 페로브스카이트 태양전지에서 주목할만한 업적

Park, Grazel과 그들의 동료들은 홀 수송 물질로 OLEDs을 위해 개발된 spiro-MeOTAD을 적용해서 셀 안정성을 높혔을 뿐 아니라 효율 9.7%을 얻었다. 

그림 2는 페로브스카이트 셀 구조와 관련된 진공 에너지 준위를 보여준다. 


(그림 2 ⎜ a, 일반적인 유기-무기 할로겐화물 태양전지, 2개의 선택층이 있는데 선택층은 고성능에 필수적이지는 않지만 15% 효율의 페로브스카이트 태양전지는 이 두 선택층을 활용했다.  b, 해당 물질(CH3NH3PbI3,  전도성 TiO2  발판)의 진공 에너지 준위)


거의 동시에 Snaith와 동료들은 spiro-MeOTAD와 추가적인 4가지 개선을 더해서 성공적인 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 이 개선 중 하나는 혼합된 할로겐화물 CH3NH3PbI(3-x)Cl(x)을 이용한 것인데 순수한 요오드 기반 페로브스카이트에 비해 더 좋은 안정성과 캐리어 수송을 보였다. 

두번째는 나노다공성 TiO2 표면 위에 앏은 페로브스카이트 층을 코팅하여 매우 얇은 흡수체를 형성했다. 세번째는 전도성 나노다공성 TiO2 대신 Al2O3 네크워크로 대체해서 Voc를 향상시켰다.  

페로브스카이트는 광흡수체로써 역할을 할 뿐아니라 셀 단자간에 전자와 홀 모두를 전송할 수 있다. 그래서 네번째 개선은 이 양극성(ambipolar) 수송을 이용하여 그림 2a의 발판(scaffolding)없이 간단한 평면 셀을 만들 수 있다는 것이다.

12%로 효율 점프는 Seok, Grazel과 동료들이 발판(scaffolding, 페로브스카이트가 침투해 들어간 나노다공성 TiO2) 위에 페로브스카이트 피복층을 입힘으로써 이루어졌다. 


2013년 3월 Grazel 그룹은 TiO2 발판과 2 단계 요오드화물 증착을 이용해서 페로브스카이트 막의 모폴로지를 개선하여 15%의 효율을 얻었다고 발표했다.

Snaith 그룹은 발판이 없는 간단한 평면 셀로 비슷한 결과를 발표했다. 그들은 두 소스 열증착을 이용하여 모폴로지가 개선된 CH3NH3PbI(3-x)Cl(x)막을 만들어 효율 15.4%을 얻었다. 

2013년 말 Seok 그룹은 혼합 할로겐화물 CH3NH3PbI(3-x)Br(x) (Br 10~15%)와 홀 수송체로써 poly-triarylamine을 사용하여 효율 16.2%을 얻었다. 그림 2a의 선택층이 모두 사용되었고 연속 페로브스카이트 층의 두께에 대한 발판 두께의 비가 효율 증가에 중요했다. 


최근 중요한 결과는 용액으로 부터 PbI2를 증착과 기상 CH3NH3I 반응에 의해 in-situ로 페로보스카이트로의 변환이다. 

또한 새로운 HTMs과 ETMs(electron transport media)을 연구하고 있다. 효과적인 ETM은 FTO/밀한 TiO2에서 ITO/ZnO 나노입자(25 nm)로 대체되고 있다. 


저온 공정은 PET 기판에서도 신용할 만한 성능을 준다. 저온 공정은 플렉서블 셀을 위해 필요하고 150 °C이하의 공정 온도를 요구한다. 일반적인 밀한 TiO2층 속의 그래핀 나노조각이 저온 공정을 가능케 한다.  


참고: The emergence of perovskite solar cells, Martin A. Green, et al., Nature Photonics⎜VOL 8⎜JULY 2014.

페로브스카이트 태양전지의 출현

불과 최근 2년 사이에 고체 페로브스카이트 태양전지가 개발됐고 효율은 19.3%까지 보고되었다. 서로 다른 광범위한 제조 방법과 소자 컨셉이 고성능 소자에서 구현되고 있다. 

페로브스카이트의 부정적 측면 중 하나는 지금까지의 고성능 페로브스카이트 태양전지의 주 성분이 납인데 소자 제조, 배포, 그리고 폐기시 독성 이슈를 야기한다는 것이다. 그리고 습기와 자외선에 노출되면 열화가 일어난다. 

페로브스카이트는 ABX3 화학식으로 설명되는 물질이다. 여기서 A와 B는 양이온이고 X는 음이온이다.



(그림 1. a, 큐빅 페로브스카이트 결정 구조. 광전지용 페로브스카이트에 대해서 일반적으로 큰 양이온 A는CH3NH3 이온이고, 작은 양이온은 Pb이고 음이온 X는 할로겐 이온(I, Cl, Br)이다. CH3NH3의 경우 낮은 t 인자(0.83)에 의해 온도가 330 K 이상 온도에서만 큐빅 상을 형성한다. b, 12개의 할로겐화물 페
로브스카이트에 대한 계산된 t와 μ 인자) 


고효율 페로브스카이트 태양전지는 B 양이온으로 Pb를 사용한다. 만약 Sn을 사용하면 더 이상적인 밴드갭을 얻을 수 있지만 요오드화물과 만나면 Sn이 쉽게 산화되어 SnI4가 되어 버려 안정성이 떨어진다. 

전형적인 페로브스카이트 화합물은 CH3NH3PbI3, CH3NH3PbI(3-x)Cl(x), 그리고 CH3NH3PbI(3-x)Br(x)이다. 


참고: The emergence of perovskite solar cells, Martin A. Green, et al., Nature Photonics⎜VOL 8⎜JULY 2014.

2014년 8월 1일 금요일

자연 냉각 태양전지가 전력을 증가시키면서 오래 간다

Stanford 대학의 과학자들은 일반적인 태양전지에 특수 패턴된 SiO2 유리를 보태서 원치 않은 열 방사선을 반사시켜 태양전지가 스스로 냉각되게 했다. 그들의 목표는 광흡수를 떨어뜨리지 않고 태양전지의 동작 온도를 떨어뜨리는 것이다. 

현재의 가장 좋은 효율의 태양전지도 태양으로 부터 받은 에너지의 일부만을 사용할 수 있는 전기 에너지로 바꿀수 있을 뿐이다. 이 손실 중 일부는 태양전지가 과열되어서 일어난다. 

태양전지는 정상적인 작동 상태에서 쉽게 65 °C에 도달한다. 이 가혹한 조건은 태양전지의 효율을 빠르게 악화시키고 수명을 현저하게 단축시킨다. 

환풍과 냉각수와 같은 액티브한 냉각은 업청나게 비싸고 태양광 노출을 최적화할 필요가 있어 좋은 방법이 아니다. 



그들은 작은 피라미드와 원뿔 모양의 구조를 매우 얇은 층의 SiO2에 임베디드시켜 원치 않은 열을 다른 방향으로 돌리는 방법을 찾았다. 

그들의 이상적인 방식은 동작 온도를 18.7K 떨어뜨릴수 있다. 

참고: http://www.geek.com/chips/tiny-glass-pyramids-used-to-create-self-cooling-solar-cells-1600562/

스프레이 증착이 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기다

영국의 과학자들이 쉬운 공정인 초음파 스프레이 코팅을 이용하여 페로브스카이트를 제조하는 방법을 개발했다. 





페로브스카이트 막은 용액으로 부터 전구체 물질을 증착하여 만들어질 수 있다. 하지만, 페로브스카이트 막을 대면적화하기 위한 용액 공정 기술은 거의 발표되지 않았다. 

그들은 CH3NH3I와 PbCl2를 초음파 스프레이 해서 대기 조건하에서 페로브스카이트 전구체 박막을 만들었다. 이 막은 열적 어닐링을 거쳐 CH3NH3Pb(3-x)Cl(x) 구조로 된다. 

이렇게 해서 그들의 평면 이종접합 CH3NH3Pb(3-x)Cl(x) 페로브스카이트 태양전지 효율을 최대 11% 까지 얻었다.  

참고: http://www.rsc.org/chemistryworld/2014/07/perovskite-solar-cell-scalable-manufacturing-spray-deposition