2015년 12월 18일 금요일

Oxford PV 페로브스카이트-Si 탠덤 태양전지 효율 21.3% 발표

Oxford PV는 페로브스카이트와 Si을 일체화한 셀 크기 10 cm2, 효율 21.3%의 탠덤셀을 만들었다. 여기서 개별 셀 효율은 페로브스카이트 15%, Si 태양전지 17%이다.

페로브스카이트에 대한 인상적인 연구가 현재까지 있어왔지만, 대면적에서 Si 태양전지를 능가하는 효율을 일관성있게 증명하지 못했다.

Oxford PV는 Si solar cell의 효율 보강에 페로브스카이트를 이용하는 것을 최선의 전략으로 믿고 있다.

이번의 효율 21.3% 페로브스카이트-Si 태양전지 탠덤 셀 개발은 Si solar cell 메이커의 큰 관심을 끌만하다.

하지만, 페로브스카이트의 특정 성분은 열과 습기에 노출되면 쉽게 열화되기 때문에 25년 수명을 보증하지 못한다. 이를 해결하지 못하면 페로브스카이트의 미래는 없다.

Oxford PV는 거의 1년동안 페로브스카이트 안정성 향상 연구에 집중하고 있다.


참고:http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/11/perovskite-boosts-silicon-solar-cell-efficiency


2015년 12월 9일 수요일

하이브리드 태양전지를 위한 새로운 접근

TUM과 LMU의 과학자들은 매우 얇고 깃털 처럼 가볍고 결정처럼 단단한 벌집 구조의 다공성 Ge 반도체 층을 개발했다.


(고 다공성 Ge 나노필름에 적당한 폴리머로 채워 하이브리드 태양전지를 만들다)


(폴리머 템플레이트 제거 후 Ge 구조의 전자현미경 이미지)


이 다공성 반도체 층과 유기 폴리머가 결합되면 유기 태양전지의 효율과 안정성이 크게 향상될 전망이다. 다공성 Ge 반도체 층은 전기적 특성 제어가 쉽고 열과 빛에 약한 유기 폴리머를 보호 할 수 있기 때문이다.

새로운 물질은 벌집 구조의 다공성 발판으로 생각할 수 있다. 벌집을 이루는 벽은 전하를 생산하거나 저장할 수 있다. 또한 벽이 매우 얇기 때문에 전하는 short path로 흐를 수 있다.

다공성 Ge 층을 만들기 위한 일반적인 방법은 화학적 또는 전기화학적 에칭 공정을 이용하는 것이다. 하지만 이 top-down 접근은 다공성 구조와 표면 상태 제어에 한계가 있다. 

그들은 [Ge9]4- zintl 클러스터를 전구체 이용했다. zintl 클러스터는 알칼리 또는 알칼리 토금속과 p-block (반)금속 사이의 intermetallic 화합물에서 나타나는  polyanionic cage이다. 이 클러스터는 전기적으로 대전되어 있어 용해 상태에서는 서로 반발한다. 클러서터의 가교(cross-linking)는 용매가 증발하면 일어나는데 500 °C 열을 가하거나 GeCl4을 첨가해서 화학적으로 얻을 수 있다. PCl3을 첨가하면 Ge을 도핑시킬 수 있다.

Ge 클러스터로 원하는 다공성 구조를 만들기 위해 그들은 첫번째 단계로 50~100 nm 지름의 PMMA 구슬을 뿌려 3 차원 템플레이트를 형성했다.

그런 후, K4Ge9 용액을 구슬 사이의 갭에 채웠다. Ge 네트워크가 구슬 표면 위에 형성되자마자 열로 템플레이트를 제거한다. 결국 다공성 나노필름이 남는다.

참고: https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/short/article/32787/

2015년 12월 5일 토요일

포톤 에너지 손실이 적은 폴리머 태양전지

폴리머 태양전지(PSCs)가 직면한 중요한 문제는 어떻게 폴리머/플러렌 혼합물의 에너지 준위를 제어해서 Jsc와 Voc를 동시에 최대로 하느냐이다. 하지만 Jsc와 Voc 사이에 상충관계에 있다는 것은 잘 알려진 사실이다.

이 상충관계의 해결은 포톤 에너지 손실(Eloss)을 줄이는 것이다. Eloss는 Eg - eVoc 이다. 여기서 Eg는 반도체 폴리머의 광 밴드갭이다. 최근 보고된 고효율 PSCs의 Eloss는 보통 0.7~1.0 eV 이다. 이것은 무기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 0.4~0.5 eV에 비해 크다.  

아주 최근 밴드갭 1.47 eV의 pyridylthiadiazole 기반 폴리머 태양전지에서 Eloss 0.6 eV와 Voc 0.86 V을 얻었다. 바로 직후 Eg 1.44~1.53 eV의 DPP-2Tz을 사용해서 Eloss를 0.55 eV로 감소시켜 Voc를 0.92 V로 높혔다. 이들 폴리머는 잠재적으로 Voc와 Jsc 모두 높은 값을 낼 수 있지만 Voc와 Jsc의 상충관계로 인해 Jsc가 상대적으로 낮아 효율은 5~6%로 제한됐다. 



Jsc와 Voc의 상충관계는 폴리머와 플러렌 사이의 분자 오비탈 준위의 매칭과 관련이 깊다. Jsc와 Voc 둘 다 높은 값을 얻기 위해 폴리머의 Eg 작고 HOMO 준위는 깊어야 한다. 하지만 이는 불가피하게 LUMO 에너지 준위를 낮추어 폴리머와 플러렌 사이의 LUMO의 에너지 오프셋을 감소시켜 광유도 전하 분리가 효과적으로 일어나지 않는다.  


(그림 1 ⎜폴리머의 구조와 특성. (a) PNTz4T와 PNOz4T의 화학 구조. (b)Chlorobenzene 용액으로 부터 스핀 코팅된 PNTz4T와 PNOz4T 박막의 자외선-가시광 흡수 스펙트럼. (c) PNTzNT, PNOz4T 박막, PC61BM와 PC71BM 용액의 cyclic voltammograms. (d) Cyclic voltammetry로 부터 예측된 PNTzNT, PNOz4T, PC61BM 그리고 PC71BM의 에너지 다이아그램.) 

최근, 그들은 좁은 밴드갭 D-A 폴리머 PNTz4T를 이용해서 Jsc 19.4 mA/cm2, Voc 0.71~0.74 V, 효율 10.1%을 얻었다. Voc가 제한적인데 그 이유는 HOMO 에너지 준위가 -5.15 eV로 적당히 깊기 때문이다. 결과적으로 이 시스템의 Eloss는 0.82~0.85 eV였다. 

이번에 그들은 좁은 Eg 1.52 eV와 깊은 HOMO와 LUMO 에너지 준위를 갖는 D-A 폴리머 PNOz4T(quaterthiophene+NOz)와 PCBM을 결합해서 Voc가 ~1 V이고 효율 8.9%인 역구조 PSCs(ITO/ZnO/PNOz4T:PCBM, ~200 nm/MoOx/Ag)을 만들었다. 여기서 가장 중요한 것은 Eloss가 0.52~0.56 eV로서 무기 태양전지의 값에 도달한 것이다. 또 하나 흥미로운 것은 PNOz4T/PCBM 시스템의 에너지 오프셋이 ~0.1 eV 밖에 안되는 되도 효율이 높은 것이다.


(그림 2 ⎜PNOz4T 기반 셀의 광전지 파라미터)

PNOz4T:PC61BM = 1:1에서 상당히 높은 Voc 1 eV을 보이고 PC61BM 비가 높아지면 Voc는 약간 감소하지만 Jsc가 상당히 커진다는 것을 알 수 있다. PNOz4T 시스템이 보고된 PSCs 중에서 Eloss가 가장 낮다는 것은 명백하다. 낮은 Eloss 뿐아니라 큰 Voc가 좁은 Eg의 PNOz4T에서 달성된 것이다. 



(표 1 ⎜PNOz4T 기반 셀 파라미터)

그들은 분광 연구를 통해 작은 에너지 오프셋이 전하 분리 과정에 있어서 제한 요인이 아니다라는 것을 알았다. 이 결과는 Jsc와 Voc 사이의 상충 관계 이슈를 해결하여 효율15% 실현에 길을 열 것이다.  

참고: High-efficiency polymer solar cells with small photon energy loss, Kazuaki Kawashima, et al., NATURE COMMUNICATION⎜6:10085⎜DOI:10.1038/ncomms10085⎜

2015년 11월 14일 토요일

페로브스카이트 태양전지의 안정성이 금속 산화물 샌드위치로 향상되다

페로브스카이트 물질이 공기(산소) 중에 노출되면 몇 일 몇 시간 내에 파괴된다. 또한 습기(물)에 노출되면 더 빨리 열화가 일어난다. 이는 페로브스카이트의 흡습성 때문이다. 

몇몇 층이 인자가 일반적 페로브스카이트 스택을 빠르게 열화시킨다. 가장 중요한 것은 범용인 상부 유기 버퍼 층이다. 이 버퍼 층은 안정성이 나쁘고 공기 내의 습기로 부터 페로브스카이트를 효과적으로 보호할 수 없다. 


(a, NiOx 표면 위에 2단계 용액 공정으로 성장된 페로브스카이트의 SEM 이미지. b, ZnO 막으로 코팅된 페로브스카이트의 SEM 이미지. c, 유리/ITO/80 nm NiOx/320 nm 페로브스카이트/70 nm ZnO 구조의 셀의 단면 이미지)

Yang 팀은 이 유기 버퍼 층을 p형 NiOx 나노입자 층으로 대체했다. 

그들의 셀 구조는 p-i-n(유리/ITO/p-NiOx/i-페로브스카이트/n-ZnO/Al)이다. 여기서 ZnO 층은 페로브스카이트층과 Al 층을 분리시켜 열화를 억제한다.

새로운 구조의 셀 초기 효율은 14.5 +- 1.5%이고 최고 효율(인증 안 받음)은 16.1%이다. 

새로운 구조의 셀을 실온과 공기 중에 60일 방치했을 때 초기 셀 효율의 90%가 유지됐다. 반면, 유기 버퍼 층으로 만들어진 셀은 단지 5일 만에 완전히 열화가 일어난다. 


그들의 다음 단계는 금속 산화물 층을 더 응축시켜 더 잘 밀봉하는 것이다.


참고: http://newsroom.ucla.edu/releases/next-generation-perovskite-solar-cells-made-stable-by-metal-oxide-sandwich

페로브스카이트-Si 탠덤 태양전지의 효율 갱신(효율 18%)

Helmholtz-Zentrum Berlin(독일)과 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(스위스) 팀은 효율 18%의 페로브스카이트-Si 탠덤 셀을 만들었다.  

페로스카이트 층은 청색광을 효율적으로 흡수한다. 반면, Si 층은 적색광과 NIR 광을 효과적으로 흡수한다. 하지만 이 두 층을 한 덩어리로 만들기는 쉽지 않다.  

일반적으로 높은 효율의 페로브스카이트 셀을 위해 500도로 소결된 TiO2 층 위에 페로브스카이트를 코팅할 필요가 있다. 하지만 그런 고온은 Si 이종접합 태양전지에서 Si 웨이퍼에 코팅된 a-Si 층을 열화시킨다.




(Si 이종접합 태양전지가 bottom 셀을 위한 기반을 제공한다. 매우 얇은 투명 SnO2가 이 bottom 셀 위에 증착된다. 그 뒤 500 nm 두께의 페로브스카이트 물질과 200 nm 두께의 spiro-OMeTAD 홀 전도체 물질이 코팅된다. 박막 MoO3가 홀 전도체와 투명 상부 전극 ITO 사이에서 보호층으로서 역할을 한다.)  
  

그들은 처음으로 선택적 전자 접촉을 TiO2 대신 저온 SnO2을 증착(atomic layer deposition)해서 위 문제를 해결했다. 

이 탠덤 셀에서 중요한 층은 선택적 홀 접촉을 위한 투명한 top 접촉 층이다. 보통 금속 산화물이 스퍼터링 증착된다. 이때 페로브스카이트과 홀 전도체 물질을 손상시킨다.  

그들은 제조 공정을 수정하고 투명한 보호층으로서 MoO3를 삽입해서 위 문제를 해결했다.



이 탬덤 셀의 효율은 18%이다. 개별 셀 효율에 비해 20% 더 높다. 지금 까지 보고된 탬덤 셀 중에서 가장 높으며 Voc가 1.78 V이기 때문에 물 전기 분해을 통해 수소 생산에 이용될 수 있다. 

이번의 탬덤 셀은 연마된 Si 표면 위에 페로브스카이트를 코팅했다. 이는 반사 손실로 나타나 bottom 셀에서 만들어지는 광전류 손실을 야기한다. 만약 Si 표면이 텍스처링 된다면 효율은 25% 또는 심지어 30%으로 향상될 것이다. 

사실 효율 최대화 보다 더 중요한 것은 어떻게 이 기술이 기존 기술과 통합될 것인가 이다. Si 태양전지 기술은 태양전지 시장의 90%을 차지한다. 이는 잘 확립된 생산 시설이 많다는 것을 의미한다. 하지만 페로브스카이트 층을 추가하기 위한 생산 시설은 따로 개발 될 필요가 있다. 


Top 셀인 페로브스카이트 셀의 장기 안정성과 납 제거는 앞으로 해결해야 할 과제이다. 

참고: http://cleantechnica.com/2015/11/12/tandem-perovskite-silicon-solar-cell-efficiency-record-broken/

2015년 10월 17일 토요일

태양광 발전에 지불하기

2017년 정상 가동될 SolarCity의 기가와트급 태양광 모듈 제조 공장(Buffalo, New York)은 태양광 발전에 대한 호황 수요를 반영한 것이다. 그런데 지속 가능할까? 

미국 태양광 발전량은 2008년에 1.1 GW에서 2014년 말 18.3 GW로 증가했다. 대부분은 California에서 나왔지만 미연방 세액 공제와 지역 인센티브로 인해 다른 주에서도 증가 추세다. 대충 미국의 작년 발전 용량 추가분의 1/3은 태양광에서 나왔다. 그 다음은 천연 가스이다.  

SolarCity는 혁신적인 금융 계획을 제공함으로서 rooftop 패널 수요에 대한 대비에 박차를 가하고 있다. Rooftop 패널은 태양광 시장에서 가장 빠르게 성장하는 부문이다. 

주택 소유자는 비싼 태양광 패널을 사고 설치에 지불하는 대신, SolarCity가 제공하는 것 중 하나에 참여하면 20년 동안 태양광 발전 시스템을 임대할 수 있다. 

SolarCity가 태양광 패널을 소유하기 때문에 태양광 발전에 대해 아무리 못해도 30%의 미연방 투자 세액 공제로 부터 이익을 챙길 수 있다; 주택 소유자는 그리드에 재공급된 잉여 전력에 대해 소매 전기 요금을 떨어뜨릴 수 있다. 

SolarCity는 아직 수익을 못 내고 있지만 임대 프로그램이 주택 소유자한테 매력적이라는 것이 증명되면 상황은 반전될 것이다.  


모든 것이 잘 풀리더라도 Buffalo 공장은 극적으로 바뀔 태양광 발전 시장에 직면하게 될 것이다. 

2016년 말이 되면 미연방 세액 공제는 기업은 30%에서 10%으로 떨어지고 자신의 태양광 패널을 구매한 소비자에 대해서는 아예 없어진다. 주택용 태양광 발전이 저렴하지 않게 되는 것이므로 이 변화는 태양광 산업에 치명적이다.  

세금 감면 축소로 인해 무슨 일이 일어 날까하는 공포는 불운한 현실을 증폭시킬 것이다: 대부분 지역과 대부분 조건에서 보조금이 없은 태양양 발전은 아직도 다른 전기 소스에 비해 너무 비싸다.

Rooftop 태양광 발전이 특히 비싸게 될 것이다. Severin Borenstein 교수는 솔라와 같은 청정 에너지에 대한 정부 인센티브가 없으면 천연 가스가 모든 것을 쓸어버릴 것이고 말한다. 

Deutsche Bank는 현재의 솔라 전력 비용과 전기 소매 가격을 비교했다. 다양한 요금 목록이 있는데 그리를 유지하고 업그레이드하는 수수료가 포함된다. 전기를 실제로 생산하는 비용을 정확하게 비교한 것은 아니지만 더 많은 청정 에너지를 보급하고 탄소 배출 감소를 시키는 비용 효율적인 방법인지를 결정하는 비교된는 된다. 

태양전지 모듈 원가는 지난 몇년 동안 인상적으로 떨어졌다. Si 솔라 모듈은 2008년 $4/W, 2014년 65 cents/W 였다. 하지만 다른 비용을 감소시키는 것은 더 어려웠다. 다른 비용을 소위 BOS(Balance of System) 비용이라고 하는데 인버터와 같은 패널을 그리드에 연결하기 위해 필요한 하드웨어와 가장 결정적인 것은 시스템 설치 인건비이다. 

무거운 솔라 모듈을 집 지붕 위에 설치하는 것은 특별히 비싸다. 2015년 5월에 발표된 MIT 보고서(The Future of Solar Energy)에 의하면 BOS 비용은 시스템의 총 비용의 거의 85%을 차지한다. Robert C. Armstrong은 태양전지 재료를 무료로 주더라도 석탄과 천연 가스 만큼 싼 전기를 여전히 만들 수 없다고 한다. 

경제학자들은 서로 다른 전기 소스를 비교하기 위해 ‘Leveled Cost Of Energy’계산을 선호한다. 이 계산은 시스템 설치비와 수명 기간 동안 전기를 생산하기 위한 평균 비용을 예측한 것이다. 생산된 전기를 곧 바로 유틸리티로 보내는 대규모 태양광 발전소는 비용 효과가 가장 크다. 

MIT 보고서에 따르면 남부 California와 Massachusetts에 있는 태양광 발전소의 LCOE는 각각 10.5 cents/KWh와 15.8 cents/KWh이다. 반면 새로운 천연 가스 발전소는 6.6 cents/KWh에 전력을 생산할 수 있다. 주거용 태양광 발전의 경우 더욱 실망스러운데 Massachusetts 가정은 28.7 cents/KWh에 태양광 발전을 하고 남부 California는 19.2 cents/KWh에 태양광 발전을 한다.

이 비용은 정부 지원금이 없을 때이다. 세액 공제 같은 지금의 인센티브가 있으면 태양광 발전은 훨씬 더 유리해 지는 것은 맞지만 가스 발전소 전기보다 여전히 더 비싸다.

Stefan Reichelstein와 그의 동료들은 특히 세금 감면이 태양광 경제에 미치는 영향을 조사했다. 그들은 California의 거대 태양광 발전소는 세금 감면 없이도 2025년에는 천연 가스 발전소와 경쟁력이 있을 것이라는 것을 알아냈다.

이 이야기는 주거용 태양광 발전에는 해당되지 않는다. 30%의 세액 공제가 있을 때 California의 주거용 태양광 설비는 소매 전기 가격 보다 낮게 전기를 생산할 수 있다. 만약 세액 공제가 10%로 떨어지면 미국의 어느 주도 그리드 패러티를 달성할 수 없다.

이것은 정부 인센티브가 태양광 발전 보급에 얼마나 중요한 역할을 하는지 알 수 있게 한다. 정부 인센티브는 가능한 공정하고 세심하게 설계되어야 한다. 예를 들어 유틸리티 규모 발전소에 비해 rooftop 태양광 발전과 같은 비효적인 크린 에너지에 더 많이 지원되어서는 안된다는 것이다.

Net metering(신재생 전기를 그리드에 전송해 주는 서비스)을 함으로써, 대부분 주의 정책은 거주자가 태양광 발전 전기를 그리드에 소매 가격으로 팔 수 있도록 해 준다. Rooftop 태양광 발전을 하는 거의 모든 가정이 그리드와 연결되어 있다. 태양광 발전의 간헐적 본성 때문이다. 이들 주택 소유자는 전력 저장과 백업을 위해 그리드를 이용하고, California와 New York의 경우 높은 소매 가격으로 태양광 전기를 팔아 작은 횡재를 얻는다. 태양광 발전 지지자들은 이 rooftop 솔라가 그리드에 전력을 보태 낮 동안 전력 수급을 도와 그리드를 안정화시킨다고 주장한다. Borenstein은 net metering도 명백히 보조금이기 때문에 그리드 운영 비용을 증가시킨다고 말한다. 증가된 비용은 다른 전기 소비자가 더 지불해야한다.

많은 공동체와 주에서 net metering 향상을 위해 태양광 발전량 제한을 설정하는 것에 대한 논쟁이 있어 왔다. 태양광 발전에 있어서 전반적인 위험은 보조금 없이 경쟁하기 위한 준비가 안된 상태에서 태양광 발전을 위한 인센티브가 불공정하다는 인식이 점점 늘고 있는 것이다. 인센티브 비판론자도 주와 연방의 현행 인센티브가 갑자기 사라지면 태양광 산업에 치명상을 입힐 것으로 생각하고 있다.

사실, 세금 정책의 변화가 얼마나 태양광 사업이 보조금에 의존하고 있는지를 알 수 있는 중요한 시험이 될 것이다. SolarCity의 Rive는 보조금 축소가 시장을 몇 년간 정체시킬 것으로 내다봤다. 그는 전기료가 싼 여러 주에서는 SolarCity는 더 이상 경쟁력이 없을 것이라는 것을 인식한다. 하지만, 그는 상대적으로 저가의 제품을 제공하면 그의 회사는 괜찮을 것이로 예측한다.


참고: http://www.technologyreview.com/review/540226/paying-for-solar-power/


2015년 10월 11일 일요일

SolarCity가 355W PV 모듈을 발표하다

SolarCity가 효율 22.04%이고 전력이 355W인 PV 모듈(1.61×1.81 m)을 개발했다. 이 모듈은 roof-top PV 시장에서 ‘next big thing’이 될 것이다. 

SolarCity의 모듈은 Silevo의 tunneling junction 셀로 만들었다.  



(Cu metallization과 스트링 연결 기술이 셀에서 스트링으로 손실이 적은 저가격 고효율 모듈을 가능하게 한다.)


SolarCity는 2015년 10월 내에 Silicon Valley에 있는 100 MW pilot line에서 이 모듈을 소량 생산할 예정이다. 


참고: http://www.pv-tech.org/news/solarcity_producing_pv_module_with_industry_record_22.04_efficiency_from_pi

2015년 10월 10일 토요일

더 큰 크기의 페로브스카이트 태양전지 효율 향상

페로브스카이트는 독특한 결정 구조의 물질인데 태양광 에너지 세계를 떠들썩 하게 하고 있다.

최근 효율 >20% 페로브스카이트 태양전지는 Si 태양전지와 경쟁할 수 있다는 것을 보여준다.   

하지만 상용화는 곧 바로 되기 어렵다. 왜냐하면 이 효율은 단지 0.1 cm2 크기의 셀에서 나온 것이기 때문이다.  

전통적인 방법으로 페로브스카이트 셀 크기를 키우면 페로브스카이트 막내에 결함이 증가해서 효율이 떨어진다.  



Brown 대학과 NREL(National Renewable Energy Lab) 팀은 Padture’s lab.의 Yuanyuan Zhou가 개발한 이전 방법을 개선하여 1 cm2 보다 더 큰 셀에서 효율 15% 얻었다. 

Yuanyuan Zhou가 개발한 페로브스카이트 막 형성 방법은 다음과 같다. 페로브스카이트 전구체를 용매에 용해시켜 기판에 코팅한다. 그 다음 그 기판을 제 2 용매(anti-solvent)에 담근다. 여기서 제 2 용매는 선택적으로 전구체 용매를 붙잡거나 털어낸다. 결국 매우 평탄한 페로브스카이트 결정 막이 남는다. 

개선된 공정은 유기 전구체를 과잉 첨가하는 것이다. 그러면 처음부터 작은 페로브스카이트 결정이 서로 붙게되어 열처리 동안 더 큰 결정으로 병합되기 쉬워진다. 초과 전구체는 열처리 동안 타서 없어진다. 

평탄한 페로브스카이트 막에다 결정 크기 까지 증가시키면 결합이 거의 없는 막을 얻을 수 있다. 


참고: https://news.brown.edu/articles/2015/10/perovskite

2015년 10월 3일 토요일

그래핀이 전면 접촉인 Si/페로브스카이트 탠덤 태양전지

HZB 팀은 손상되기 쉬운 페로브스카이트 층 위에 그래핀을 코팅하는 우아한 공정을 개발했다.

Si은 주로 태양광 스펙트럼의 적색 영역을 효과적으로 전기 에너지로 변환시킨다. 반면 청색 영역은 부분적으로 열로 손실된다. 이 손실을 줄이기 위해 Si 태양전지를 청색 영역을 주로 변환시키는 추가 태양전지와 결합시킨다. 



HZB 팀은 탠덤 셀에 대한 폭 넓은 경험으로 페로브스카이트 물질(밴드갭 ~1.6 eV)이 Si(밴드갭 1.12 eV)에 효과적인 보완책이 된다는 것을 알았다. 

하지만, 페로브스카이트 층 위에 투명 접촉을 성능 저하없이 형성하기는 매우 어렵다. 스퍼터 ITO가 무기 Si 태양전지에 일반적으로 사용되지만 이 기술은 페로브스카이트 셀의 유기 성분을 파괴시킨다. 

그들이 한 일은 페로브스카이트 층에 고르게 그래핀을 덮는 공정이다.

1000도, 메탄 분위기로 부터 Cu 호일 위에 그래핀 성장을 촉진한다. 그래핀이 갈라지지 않도록 폴리머를 코팅한다. Cu 호일을 에칭한다. 보호된 그래핀 필름을 페로브스카이트 층에 전사한다. 전사 공정은 보통 물에서 이루어진다. 이 단계를 그대로 페로브스카이트에 적용하면 절대 안된다. 페로브스카이트는 수분에 취약하기 때문이다. 그래서 그들은 다른 액체에서 전사 공정을 진행했다. 


이후 측정은 그래핀 층이 여러면에서 이상적인 전면 접촉이라는 것을 보여줬다. 

매우 높은 투과율 덕택에 이 층에서 태양광 에너지 손실은 없다. 그런데 주요 장점은 스퍼터 ITO 층에서 일반적으로 보이는 Voc 감소가 없다는 것이다.

참고:http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14324;sprache=en;typoid=3228 


Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트 태양전지 성능 저하 원인 분석

최근 효율 20.1% 유기금속 trihalide 페로브스카이트(MAPbI3) 태양전지가 보고 됐다. 이는 과학자들이 이 물질 시스템의 물리적 이해에 집중케 했다. 

유기금속 trihalide 페로브스카이트는 직접 밴드갭 물질이며 높은 광학 흡수를 가진다. 또한 큰 유전상수로 인해 exciton 결합에너지가 작다. 긴 광여기 캐리어 수명과 deep level 결함이 없고 매우 작은 Urbach energy를 갖는다. 

Qing Shen 그룹은 캐리어 수명, 전하 분리, 그리고 전하 재결합 다이나믹스가 유기금속 trihalide 페로브스카이트 태양전지 성능에 미치는 영향을 연구했다. 


TiO2/Spiro-OMeTAD 계면에서 재결합 감소는 효율 향상에 중요한 요소이다. 이 재결합을 줄이기 위해 TiO2 표면 패시베이션과 계면 엔지니어링이 고안되고 있다. 

이 태양전지의 효율을 더 증가시키기 위해 근적외선 스펙트럼 까지 더 많은 광 포획을 시도하고 있다. 


(Photoacoustic(PA)기술을 이용한 MAPbI3와 Sn/Pb 칵테일 MASn0.5Pb0.5I3 페로브스카이트의 광흡수 스펙트럼. 밴드갭과 Urbach 에너지는 MASn0.5Pb05I3 페로브스카이트는 1.21 eV와 34 meV이고 MAPbI3 페로브스카이트는 1.52 eV와 22 meV이다)


Shuzi Hayase 교수는 CH3NH3SnxPb1-xI3 형태의 ‘Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트’ 물질을 통해 1060 nm까지 태양광을 흡수할 수 있었다.

하지만, Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트 태양전지의 효율은 10%보다 낮다. Voc와 FF가 낮은 것이 효율 저하의 원인이다.




(일반적인 광전지 재료에 대한 Urbach 에너지(E0) 함수로서 (Eg/q)-Voc. MAPbI3 대비 MASn0.5Pb0.5I3의 더 큰 Voc 손실은 MASn0.5Pb0.5I3의 더 큰 Urbach 에너지 때문이다.)



(Pb 페로브스카이트와 Sn/Pb 페로브스카이트 태양전지의 전형적인 캐리어 이동과 재결합 다이나믹스. Pb/Sn 칵테일 페로브스카이트 태양전지의 낮은 효율은 TiO2와 P3HT 계면 사이에서 빠른 재결합이 원인으로 밝혀졌다. 이 빠른 재결합은 pinhole-free 페로브스카이트 막을 만들면 억제될 수 있다) 


Shen은 Sn/Pb 칵테일 페로브스카이트 물질의 특성을 분석했다. 초기 결과로서 더 좋은 태양전지는 비방사 재결합을 줄여야 만들어진다는 것을 알았다. 비방사 재결합 감소는 Pb/Sn 페로브스카이트의 결정 품질 향상과 TiO2/Sn/Pb 페로브스카이트 계면의 적당한 패시베이션, 그리고 pinhole-free 페로브스카이트 막으로 달성될 수 있다.  

참고: http://phys.org/news/2015-09-organometal-trihalide-perovskite-solar-cells.html

2015년 9월 19일 토요일

양면 접촉 태양전지에서 효율 25.1%을 달성하다

Fraunhofer ISE는 최초로 효율 25.1% 양면 접촉 Si 태양전지를 개발했다. 이는 간단한 제조 공정과 고효율을 동시에 구현한 것이다. 

이 태양전지는 전면과 후면 모두 금속 접촉이 있다. 후면에는 어떤 패터닝도 없다. 후면 패시베이션 접촉은 전체면에 걸쳐 형성된다. 그래서 제조 공정이 단순하다.



핵심 기술은 TOPcon (Tunnel Oxide Passivated Contact) 기술이며 후면 금속 접촉이 패터팅 없이 후면에 형성된다. 이를 위해 그들은 터널 산화물로 만들어지는 선택적 패시베이션 접촉을 개발했다. 다수 전하 캐리어는 통과시키고 소수캐리어는 재결합되는 것을 막아준다. 터널 산화물 패시베이션층의 두께는 1~2 nm이다. 

고농도로 도핑된 얇은 Si막이 터널 산화물막이 증착된다. 이 새로운 결합이 전류가 셀 밖으로 거의 손실없이 빠져 나오게 한다. 

태양전지 산업에서 대다수 태양전지는 후면 전체를 덮는 Al 합금 후면 접촉을 하고 있다. 하지만 이 형태의 접촉을 효율을 제한하기 때문에 PERC (Passivated Emitter Rerar Cell) 기술을 도입하고 있다. 


PERC 기술에서는 재결합을 줄이기 위해 후면의 단지 작은 면적이 접촉된다. 추가적인 패터닝 단계가 필요하다. 이는 Si wafer 내에 더 긴 전류 전도 경로를 만든다. 반면 TOPcon 기술은 이 손실 메커니즘을 줄이는 가능한 접근을 제공한다.   


참고: http://www.solarserver.com/solar-magazine/solar-news/current/2015/kw38/fraunhofer-ise-announces-new-pv-world-record-both-sides-contacted-silicon-solar-cells-reach-an-efficiency-of-251-percent.html

2015년 9월 5일 토요일

태양광 발전의 근거 없는 믿음에 대한 해명

1. 태양전지 제조에 필요한 에너지가 태양전지의 수명 동안 생산하는 에너지보다 많다(태양전지 제조시 배출되는 CO2가 태양전지 수명 동안 CO2가 차감되는 것 보다 많다).


전혀 사실이 아니다. 현재 Si 태양전지의 투자금 회수 기간은 2년이 안된다. 박막 태양전지의 경우 1년이 안된다. 투자금 회수 기간이 끝나면 앞으로 남은 수명 동안(25년) 에너지를 누적시킬 수 있다.



2. 태양광 발전은 보조금이 없으면 재정적으로 실행 불가능하다.

보조금은 빠르게 점차 폐지되고 있고 기술적 진보가 태양전지 효율을 꾸준히 높이고 있다. 현재 태양광 발전 에너지는 구매 전력보다 싸다. 심지어 가장 싼 화석 연료와 유리한 경쟁을 하고 있다.


최근 Warren Buffet 소유 전력소는 First Solar의 Nevada 발전소로 부터 3.97 cent/kWh 가격으로 전기를 구매하기로 결정했다



    3. 태양광 발전은 새롭지만 보편적 에너지로 증명되지 않았다. 

1954Bell Labs에서 Si 태양전지가 최초로 개발된 이래 우주 탐사, 데이터 센터와 같은 독립 시설 가동, 그리고 가정에 전력을 공급하고 있다. 

태양전지 모듈 수명 25년 이상, 더 낮은 LCOE(levelised cost of electricity), 그리고 더 높은 효율이 달성되면 보편적인 에너지가 될 것으로 생각한다. 



4. 태양광 발전은 일사량이 많은 지역에서만 할 수 있다. 

물론 일사량이 많으면 태양광 발전량은 증가한다. 그런데 태양전지가 전력 생산하는데 전체 햇빛이 필요하지 않다. 햇빛이 상대적으로 약한 북반구에 위치한 독일이 세계적으로 설치된 태양광 발전용량이 가장 높다. 



5. 태양전지 메이커는 똑같은 품질의 제품을 만든다. 

그렇지 않다. 품질, 작업자 그리고 작업 환경의 관리가 잘 안되는 공장에서 제조된 태양전지 성능은 나쁠 것이다. 반면 평판이 좋은 메이커의 태양전지는 성능과 25년 보증을 준다. 



6. 태양전지는 집 지붕과 어울리지 않는다. 

몇몇 회사는 집 지붕과 잘 어울리는 true-black 태양전지 패널을 제공하고 있다. 가장 성능이 좋은 태양전지를 사용하기 때문에 적은 패널으로 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 



7. 태양광 발전은 너무 비싸다. 

기술 진보와 효과적인 지원 덕분에 주택용 태양광 발전 시스템 비용은 그 어느 때보다 더 싸졌다. 많은 미국 주택 소유자는 태양광 발전 시스템 비용에 대해 초기 부담을 낮추고 20년 이상 분할 상환할 수 있도록 금융 프로그램을 이용할 수 있다.  


참고: http://www.newsusa.com/articles/article/shining-light-on-top-5-myths-about-solar-energy.aspx, http://www.clickgreen.org.uk/opinion/opinion/126400-five-myths-about-solar-power--and-the-real-facts.html

2015년 8월 28일 금요일

All-polymer 태양전지를 위한 flow-enhanced 용액 프린팅

도너 폴리머와 업셉터 폴리머를 서로 혼합한 all-polymer는 이종접합 유기 태양전지에서 최고의 도너/업셉터 물질 조합 중 하나다. 그런데 all-polymer일때 도너 폴리머의 낮은 결정화도와 큰 도메인 크기로 인해 소자 성능 저하가 일어난다.  


(그림 1 ⎜ 프린팅된 all-polymer 태양전지의 마이크로 상 분리 제어를 위한 Fluence 기술.(a) 용액 전단 플랫폼에 구현된 Fluence 방법. (b) 이종접합 태양전지에서 마이크로 상 분리된 모폴로지의 도식도와 본 연구에 사용된 전자-도너와 전자-업셉터 폴리머의 분자 구조. (c) 나노구조 프리팅 날의 SEM 이미지. 흰 점선은 xy 평면에서 시뮬레이션 박스의 크기를 나타낸다. (d) 마이크로 구조 프린팅 날과 기판사이의 flow field를 보여주는 Finite element simulation 결과이다. 시뮬레이션에서 프린팅 속도는 50 um/s이다. 유체 속도의 색 눈금이 오른쪽에 있다. 이 경우 flow는 프린팅 운동 대신 용매 증발에 의해 주로 구동된다. 절단 평면(중앙 이미지)은 기판과 평행한 면이고 프린팅 날과 기판의 z 방향으로 대략 등거리에 있다. 확장과 전단 흐름하에서 폴리머 형태 변화, 정렬과 응집/결정화가 flow field 안에 도시되어 있다.)

Stanford 대학 연구자들은 이 문제를 풀기 위해 나노 크기의 갈퀴(rake)로 만든 날을 이용한 fluence 기술(fluid-enhanced crystal engineering)을 개발했다. 

갈퀴은 1.2 um 간격으로 밀집되어 있고 높이는 1.5 um이며 기존 폴리머 시스템에 맞게 조정 가능하다. 새로운 폴리머 시스템일때는 갈퀴는 다른 효과를 낼 수 있다. 

그들은 fluence 기술을 이용해서 도너 폴리머 박막의 결정화도 증가와 도너와 업셉터 도메인 크기를 감소시켜 exciton 확산 거리 증가, 전하 캐리어 이동도 증가, 그리고 광흡수율 증가를 이뤘다.  이렇게 해서 셀의 Jsc, FF, 그리고 Voc가 향상됐고 제조된 셀 간 성능 변화를 상당히 감소시켰다. 


Fluence 기술은 상용화하기에는 낮은 인쇄 속도가 문제다. 인쇄 속도 증가를 위해 용매와 작업 온도의 적당한 선택이 필요하다. 


참고:http://www.nature.com/ncomms/2015/150812/ncomms8955/full/ncomms8955.html

2015년 7월 17일 금요일

페로브스카이트 태양전지

[CH3NH3PbI3 페로브스카이트 구조]



ABX3 페로브스카이트 타입 구조이며 코너를 공유하는 PbI6 8면체의 확장된 뼈대로 구성되어 있다. CH3NH3+ 양이온이 중앙 위치에 있고 12개의 가장 가까운 이웃인 Iodide 이온으로 둘러싸여 있다. 양이온은 일반적으로 격자 내에서 전하 보상으로 여겨지고 밴드 구조에 영향을 주지 않지만 양이온의 크기 변화는 광학 특성에 강하게 영향을 미친다. 


[동작 원리]




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.  


[특징]

 - DSSCs로 부터 진화됐고 DSSCs의 염료가 페로브스카이트로 대체된 것이다.  
 - 넓은 스펙트럼에서 광을 효과적으로 흡수하고 또한 전하 캐리어 이동도와 수명이 크고 캐리어 확산 거리가 길다 
  (OPV와 다르게 전자와 홀은 자유롭게 움직일 수 있어서 페로브스카이트 층은 전자와 홀 모두 재결합없이 이동시킬 수 있다) 
 - 페로브스카이트 물질은 조작이 가능해서 다양한 광학적 전기적 특성을 갖게 할 수 있다.  
   (할로겐화물로 Br을 쓰면 단파장 흡수에 유용하고 I을 쓰면 장파장 흡수에 유용하다)
 - 제조하는데 비싸지 않다.
 - 수분에 취약하고 핵심 원소인 Pb가 유해하다.  



[기술 변천]


 



- 2009: Kojima et al., CH3NH3PbX3(X=Cl, Br0, 3.8%
- 2011: Im et al., 6.54%
- 2012: Kim et al., spiro-OMeTAD을 사용해서 all solid-state mesoscopic heterojunction PSCs  제조, 9.7%
- 2012: Lee et al., mesoporous TiO2를 Al2O3로 대체해서 'meso-superstructured' PSC 제조, 10.9%
- 2013: Burschka et al., 순차적 two-step dipping 방법으로 PSCs 제조, 14.14%(인증)
- 2013: Saliba 그룹과 Shin 그룹이 독립적으로 조성 튜닝과 '안티 솔벤트 one-step 증착 방법'을 통해 PSV 제조, 21%
그동안 Cs+와 Rb+ 양이온을 집어 넣거나, 2D 페로브스카이트 막 또는 TiO2 대신 La-BaSnO3을 적용해서 안정성을 향상시킴


[이슈]


1. 안정성

   - 페로브스카이트 물질의 열과 수분 취약하고 조성 열화와 결정상이 변함
 (구조가 캐지기 쉬운 것은 소금과 같은 결정 구조를 갖고 있기 때문)
   - 다양한 소자 아키텍처 개발
   - 수분 침투 방지 첨가제
   - HTM 물질 개선 및 대체 
    

2. 효율



   1) 소자 아키텍처

      - Mesocopic 구조
       

     
    반도체 산화물 발판을 사용하고 페로브스카이트 물질이 발판에 침투되어 있다.


      - Planar 구조
      
     다공성 발판이 없으며 n-i-p와 p-i-n 구조로 분류될 수 있다. 
      
      - HTL free 구조
        : 특별히 아주 좋은 안정성을 보임
      - 페로브스카이트/Si 태양전지 탠덤 구조 개발
        :최적 광포획을 위한 페로브스카이트 밴드갭 튜닝 
     


    2) 페로브스카이트 막 제조 공정 기술

      - 페로브스카이트 막 결정성과 모폴로지 제어가 중요
       :Mesoporous 표면 위와 평탄한 표면 위에 결정화된 페로브스카이트의 grain 크기 각각 ~10 nm와 ~100 nm이다.
      - Pinhole-free
       a) one-step 전구체 용액 성막 
     


     3) 새로운 재료
 


3. 환경

  - Pb 대체



[응용]

 스마트 창(솔라 창),  BIPV, 야외 가구, 탠덤 태양전지, 전력 공급 시설, 휴대용 기기, off-grid 응용, 자동차


[관련 회사]

1) Oxford Photovoltaics
    - 페로브스카이트/Si 태양전지 탠덤 셀 개발 전략으로 10cm2 셀 크기에서 효율 21.3% 달성(개별 효율은 페로브스카이트 15%, Si 태양전지 17%)

2) Imec
    - 페로브스카이트 모듈(aperture area 16 cm2) 효율 11.9% 달성 (2015.7.15)
      : 유기 태양전지 기술을 활용했고 실험실 규모의 스핀 코팅 공정으로 만들어 졌다. 
      



3) Dyesol







Wafer 기반 c-Si 태양전지

[동작 원리]

・ 태양광이 Si에 흡수되면 Si 내에 소수 캐리어(p-type 반도체일 경우 전자)가 생성된다. 소수 캐리어는 p-n 접합으로 형성된 전기 포텐셜에 의해 n형 반도체를 거쳐 전극으로 이동한다.



[가격]




[효율 및 출력]


・ p-type mc-Si은 효율 >22%, n-type c-Si 태양전지의 경우 HIT셀(Panasonic)과 IBC 셀 구조(SunPower)에서 25% 이상 효율 달성

・ 효율 한게(단일층 반도체일 경우)
반도체는 자신의 특정 밴드갭으로 인해 활성화되기 때문에 흡수할 수 있는 태양광 에너지 만큼 전기를 발생시킨다. 만약 태양광 에너지지가 밴드갭 보다 크면 초과된 에너지는 열로 소실되어 전기를 그 만큼 덜 만들고 태양광 에너지가 밴드갭 보다 적으면 아예 전기가 생산되지 않는다. 따라서 태양광 에너지의 1/3은 열로 소실되고 또 다른 1/3은 요구되는 에너지보다 낮아서 이론적 효율 한계는 33%가 되고 표면 반사까지 고려하면 30%가 된다. 




(그림 1. MIT가 예측한 상용 c-Si과 CdTe 태양전지 모듈의 평균 효율과 가격 추이. CdTe 태양전지는 이미 p-Si 태양전지에 의해 시장이 잠식되고 있는 상황이고 2030년까지 Si 태양전지는 시장에서 지배적인 위치를 차지할 전망이다.)







[시장 점유율]







[신뢰성]

・ 25년 수명을 보장하며 가장 좋은 상용 단결정 Si 태양전지는 50년 이상 동작한다. 하지만 매년 최대 0.5%까지 셀 효율이 저하될 수 있다.  



[핵심 기술]

・ 셀 디자인
 -bifacial, monofacial
・ 표면 패시베이션 
・ wafer
・ 전자/홀 추출층 품질
・ Metallization
・ 모듈화 기술



[연구 과제]

어떻게 Si 기술과 나노기술을 결합할 것인가?

・ 효율 증가(Jsc 증가를 통해)
   - ARC 또는 광 포획(광손실 최소화
     a) 나노임프린트: wet chemical 테스처링에 비해 패시베이션 해야하는 표면적을 줄일 수 있어 Voc를 향상시킬 수 있다.
     b) 플라즈몬 입자층: 텍스처링 역할을 할 수 있다.
     c) 광 포획 나노 코팅 막: 광 입사각에 상관없이 광과 커플링할 수 있다

   - 광 스펙트럼 조정(c-Si이 흡수할 수 있는 새로운 포톤 생성)
     a) Down-conversion 물질: Si 양자점은 c-Si이 더 잘 흡수할 수 있도록 입사광을 더 긴 파장으로 downshift시킨다. 보통 텍스처링 역항을 하는 플라즈몬 입자층과 함께 코팅된다. 

   - 다른 밴드갭의 Si 또는 추가 반도체 물질 사용(탠덤: 더 넓은 흡수 윈도우를 만들기 위해)
     a) Si/변형 Si, Si/화합물 반도체 나노와이어, Si/CdTe, Si/GaAs, Si/페로브스카이트


・ 저가격
-Thin wafer
-Ag 대체 기술
-Frameless 기술 


・ 제조 공정 단순화 
     

[근원적인 문제]

・ p-type 태양전지의 경우 LID(Light Induced Degradation) 문제가 있다. 
 : 이를 해결하기 위해 잉곳 제조시 낮은 O 함유량을 사용하는 것 말고 B-O 복합체를 영구 비활성시키기 위해 열과 빛 조사가 결합된 처리가 개발되었다. 

・ 박막 태양전지에 비해 재료 소모량(wafer 두께가 >150 um)이 많고 제조할 때 에너지가 많이 든다. 

・ 두껍고 부서지기 쉬운 웨이퍼를 사용하기 때문에 높은 자본 비용이 들고 무게 대비 전력이 낮고 모듈 유연성과 디자인에 제약이 있다.   


[향후 전망]

・2050년까지 Si 태양전지는 주력 태양전지를 유지할 것이고 이머징 태양전지(페로브스카이트 등)와 결합을 통해 이론 효율 ~30%에 도달할 것이다. 



[참고]
1)http://www.pv-tech.org/guest_blog/limit_for_industrial_c_si_solar_cells_reached_in_2030_what_next



2015년 7월 10일 금요일

건강한 태양전지를 위한 피부 관리

태양전지는 햇빛에 의해 생성된 전자와 홀의 가스로 계속 부풀어 오르는 마치 풍선과 같다. 그들의 피부(외부 표면)는 그들 입자를 반도체 물질 내에 가둘 필요가 있다. 

이것은 표면을 패시베이션하는 코팅으로 달성될 수 있고 그렇게 해야 전자와 홀이 거기서 재결합할 수 없다. 

하지만 잘 패시베이션된 막으로는 충분치 않다; 에너지를 외부 회로에 제공하기 위해서는 태양전지는 전자와 홀을 선택적으로 수송할 수 있는 별개의 2 영역이 필요하다. 

어떤 접촉 방식이라도 원래 목적인 표면 패시베이션을 유지하면서 단일 캐리어 수송을 얻는 것은 쉽지 않다. 그리고 물론 태양광에 노출되는 표면 코팅은 투명해야 한다. 

이 논문은 Si 표면 보호를 위한 효과적인 처리를 대한 개요를 보여준다. 첫번째로 패시베이션을 하고, 두번째로 2 전하 캐리어를 분리하기 위한 영역을 구현한다. 전자와 홀 접촉은 Si 웨이퍼 표면의 다른 부분에 적당한 도펀트를 도핑함으로서 형성된다. 즉 sub-surface 층이 만들어져서 어느 한 캐리어에는 높은 전도성을 띄고 다른 캐리어는 그 반대다. 

선택적 접촉은 적당한 밴드갭, 일함수 그리고 전도성을 갖는 물질을 증착해서 형성될 수 있고 2 전하 캐리어 중 어느 하나만을 수송해야 한다. 

대부분의 접촉의 선택성은 기하학적 수단 또는 얇은 두께, 터널링 가능한 물질로 강화될 수 있다. 많은 가능한 접촉 구조의 예시로서 이 논문은 도핑된 poly-Si과 금속 산화물에 대한 최근 연구를 설명할 것이다.  

참고: http://www.ieee-pvsc.org/ePVSC/core_routines/view_abstract_no.php?show_close_window=yes&abstractno=2748

2015년 7월 5일 일요일

페로브스카이트가 벽에 부딪힌 Si 태양전지를 구할 것이다

Si 태양전지는 이미 진화할만큼 진화했다는 의견이 많다.  

MIT/Standford 팀은 기존의 c-Si 제조 능력을 활용하면서 c-Si  태양전지 보다 더 높은 효율을 얻기 위해 Si 기반 탠덤 접근을 생각하고 있다.  

Si 기반 탠덤에서 top sub cell은 밴드갭 1.6~1.9 eV을 가져야 한다. 마침 메틸암모늄할로겐납은 할로겐화물 조성에 의해 밴드갭이 조정 가능하고 16~2.3 eV이다. 



그들의 Si 기반 탠덤은 2 sub cell이 직렬 연결되어 있으며 top sub cell(페로브스카이트)이 가시광을 흡수하고 bottom sub cell(c-Si)은 적외선을 흡수한다. 

2 sub cell의 전기적 연결을 위해 Si 박막(n++ Si) 터널 접합이 사용되었다. n++Si과 TiO2 사이의 conduction band alignment가 재결합 층으로서 기생 흡수가 큰 TCO 사용을 배제할 수 있게 해준다. 

2 sub cell이 직렬로 연결되어 있기 때문에 두 sub cell에 흐르는 전류가 똑같고 전압은 보태진다.  

여기서 문제점은 가장 나쁜 성능의 물질에 의해 전류가 제한된다는 것이다. 하지만 연구자들은 2 sub cell의 전류를 정밀하게 매칭하면 이 문제는 극복할 수 있을 것이라고 한다. 

초기 버전의 탠덤셀의 안정화 효율은 13.7%로서 페로브스카이트 자체 효율 16% 이상인 점을 감안하면 기대에 못 미치지만 효율 35%까지 가능할 것이라고 믿는다. 

참고: http://cleantechnica.com/2015/03/27/silicon-solar-cells-hit-wall-perovskite-leaps/

야간에도 태양광 에너지를 저장할 수 있는 기술이 개발되다

지금의 태양전지는 태양광을 바로 이용하기 때문에 야간이나 구름낀 날에는 전기를 얻을 수 없다. 



UT Arlington팀은 야간에도 태양광 에너지를 저장할 수 있는 all vanadium  photo-electrochemical flow cell을 개발했다. 

Vanadium 전해질과 하이브리드 촉매제(WO3/TiO2, 광전극)로 구성되어 있고 HxWO3(hydrogen tungsten bronze)가 반도체로 부터 광생성된 전자의 저장과 방출을 동시에 한다. 


연구자들은 셀 내에서 태양광 에너지와 전자 모두 동시에 가역 저장이 가능하다는 것을 보였다. 어두운 조건에서 저장된 전자의 방출은 태양광 저장을 지속되게 한다. 

참고: http://newscodex.com/researchers-develop-new-storage-cell-for-solar-energy-storage-nighttime-conversion-2d03b20e34ef4b2084bfd371e9b90a83

2015년 7월 3일 금요일

UCLA 팀이 태양 에너지를 저장하는 기술을 개발하다



Si 태양전지의 태양광 에너지 저장 시간은 고작 수 ms인데 UCLA 과학자들은 태양광 에너지 저장 시간을 최대 몇 주 까지 늘일 수 있는 기술을 개발했다. 

이 새로운 기술은 식물이 광합성으로 에너지를 만드는 방식으로 부터 영감을 얻어 나왔다. 

광합성에서 식물 세포 내의 나노 구조는 태양광을 받아서 신속하게 전하를 분리한다

지금의 유기 태양전지는 전기 에너지가 되기 전에 광생성된 전자와 홀이 재결합하여 효율이 낮다. 

만약 유기 태양전지를 식물과 같이 잘 정의된 구조로 만들 수 있다면 효율에 큰 이득이 될 것이다.  

플라스틱 물질은 일반적으로 파스타 요리 같이 조직되어 있다 - 무질서한 긴 덩어리, 가느다란 스파케티(폴리머 도너)에 미트볼(플러렌 업셉터)이 램덤하게 섞여 있다. 

이런 배열은 전자가 때때로 도너로 되돌아가 재결합되어 전자를 셀 밖으로 끄집어 내기에 어렵게 한다. 

UCLA 팀은 도너와 업셉터 물질을 정교하게 배열했다. 물에서 micelle을 형성하는 양이온 반도체 폴리머와 양이온 플러렌를 조립했다. 그 결과, 몇몇 플러렌이 폴리머 덩어리 내에 놓였고 다른 것들은 폴리머 바깥에 위치했다. 


안쪽의 플러렌이 폴리머로 부터 전자을 받아서 바깥에 있는 플러렌에 전자를 넘겨 준다. 이것은 매우 효과적이여서 전자가 폴리머로 부터 몇주 동안 떨어져 있게한다. 

참고: http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-chemists-devise-technology-that-could-transform-solar-energy-storage