2015년 1월 25일 일요일

새 기술이 유기 태양전지 성능 검증에 도움을 주다

North Carolina State 대학의 연구자들은 유기 태양전지의 효율에 대한 물질 구조의 역할을 파악할 수 있는 새 기술을 개발했다.    

유기 태양전지의 에너지 변환 과정에는 4 단계가 있다. 1 단계; 셀이 태양광을 흡수하여 활성층에 엑시톤이 생성된다. 2 단계; 엑시톤이 다른 유기물과의 계면과 마주칠때 까지 주위를 돌아 다닌다. 3 단계; 엑시톤이 자유 전자와 홀로 분리된다. 4 단계; 자유 전자가 활성층을 통해 이동해서 전극 수집된다. 

이전의 유기 태양전지 연구에서는 엑시톤 분리 효율과 캐리어 수집 효율 사이의 차이에 대한 애매모호함이 있었다. 그 이유는 단일 막 내에서 이 두가지를 구분할 명백한 방법이 없었기 때문이다. 

엑시톤을 자유 전자로 분리하기에 좋지 않은 물질인가? 자유 전자가 빠져 나가기 쉬운 물질을 만들기 어려운가? 


이를 해결하기 위해 연구자들은 빛의 편광 특성을 이용했다. 만약 빛이 유기 태양전지의 분자와 나란히 수평으로 편광되면 빛은 흡수된다. 하지만 빛이 분자와 수직으로 평광되면 투과해 버린다. 

연구자들은 잘 조직된 구조과 무질서한 구조를 하나의 활성층 생성시켰다.  

이 활성층에 빛의 편광을 조절하면 조직화된 영역을 효과적으로 보이지 않게 할 수 있다. 다른 말로 하면 조직화된 영역과 무질서한 영역이 하나의 광활성층에 내에 있지만 구분해서 평가할 수 있다는 것이다. 

전하 수집은 두 영역 모두 똑같기 때문에 이 기술은 어떤 조직 구조가 물질의 엑시톤 분리 효율에 영향을 주는 정도를 알려 줄 것이다.


이 실험을 통해 그들은 엑시톤 분리 효율과 조직 구조와 상관관계가 없다는 것을 알았다. 이것은 효율적인 자유 전자 생성을 위해 높은 수준으로 정렬된 나노구조가 필요없다는 것을 말해 준다. 


참고: https://news.ncsu.edu/2015/01/oconnor-exciton-2015/


2015년 1월 24일 토요일

자기-조립 나노 텍스처가 Si 태양전지에 반사 방지 표면을 만들다



연구원들은 Si 물질 자체에 나노 크기의 텍스처를 형성하여 반사 방지 표면을 만들었다.  

반사 방지를 위해서는 급격한 굴절률 변화를 제어할 필요가 있다. 예를 들어 공기와 Si 처럼 굴절률 차이가 크게 나는 두 물질이 만나는 계면에서는 반사가 크다. 그 계면에 중간 굴절률 물질을 코팅하면 물질간 전환을 쉽게해서 반사를 감소시킨다. 

연구자들은 태양광 스펙트럼의 모든 입사각의 모든 색을 흡수하기를 원한다. 하지만 각 빛의 색에 대한 최적의 반사방지 코팅은 서로 다르다.

그들은 나방의 눈으로 부터 영감을 얻었다. 나방의 눈은 빛의 파장 보다 작은 기둥으로 이루어진 텍서처 패턴을 갖고 있다. 

연구자들은 Si 태양전지 전면에 “block copolymer”을 코팅했다. 이 폴리머 물질은 수십 나노 미터 간격의 정렬된 표면 패턴으로 자기-조립될 수 있다. 이 자기-조립 패턴은 나방의 눈 속의 나노 기둥과 같은 것을 플라즈마 에칭을 통해 태양전지에 형성하기 위한 형판으로 쓰인다. 

결과물인 표면 나노 텍스처는 점차적으로 굴절률을 변화시키는 효과를 주어 모든 입사 각도의 많은 빛 파장에 대해 반사를 획기적으로 감소시켰다. 

이 연구에서 흥미로운 것은 수학적 모델이 예측한 나노기둥 높이 보다 1/2 높이의 나노기둥에서 반사 방지 성능을 얻었다는 것이다. 

결국 그들은 Si이 공기중에 노출되면 자연적으로 생기는 얇은 SiO2가 원인이라는 것을 알아냈다. 

얇은 SiO2는 평평한 면에서는 큰 역할을 하지 못하지만 주위의 모든 면이 나노텍스처로 되어 있는 나노 패턴 표면에서는 큰 역할을 하기 때문이다. 



참고: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38779.php

2015년 1월 18일 일요일

손으로 만든 페로브스카이트 층으로 태양전지 효율을 크게 증가시키다



두 광전지 재료인 페로브스카이트와 CIGS 또는 Si을 결합하여 탠덤 구조를 만드는 연구가 한창 진행 중이다.  

페로브스카이트는 물에 용해 되기 쉽고 직사광에 노출 되면 열화되어 내구성이 좋지 않지만 EV 배터리와 태양전지에서의 잠재력은 연구자들의 관심을 끌고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 태양광의 가시광만 흡수하는 능력을 갖고 있다. 이 능력은 장단점이 있는데 장점은 Si 태양전지에 비해 포톤 에너지가 높은 가시광을 잘 흡수한다는 것이다. 

페로브스카이트 태양전지는 2009년에 처음 출현했을 때 ~4% 효율에서 2014년 지금의 효율은 20%까지 증가했다. 

이 태양전지의 과제는 연구 성과가 실제 환경(날씨 조건)에서도 구현되도록 하는 것이다. 

연구팀은 태양광 에너지를 생산하기 위한 비용을 획기적으로 줄이는 것에 기여하기를 원한다. 이것이 페로브스카이트 태양전지를 상용 태양전지와 결합하려는 이유다. 

기존의 Si 태양전지 모듈 라인에 저가의 페로브스카이트 층을 보태면 새로운 공장을 건설하기 위해 큰 돈을 쓸 필요가 없게 된다. 

 어떻게 하면 일부 포톤이 페로브스카이트 층을 통과하여 Si 태양전지에 도달하게 하느냐이다. 해결책은 투명 전극을 top cell에 위치시켜 최초의 2 개의 투명 전극을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 만드는 것이다

이렇게 하려면 물과 열에 약한 페로브스카이트 태양전지에 손상을 주지 않고 전극을 형성하는 방법을 찾아야 한다.


(반투명한 Ag 나노와이어 메쉬가 페로브스카이트 태양전지 위에 올려져 있는 현미경 이미지. 페로브스카이트 태양전지는 상용 Si 태양전지 위에 기계적으로 적층된다.)

해결책은 임시 문신을 새기는 기술과 비슷하게 손으로 전극을 만드는 것이다. 그들은 Ag 나노와이어가 임베디드된 플라스틱 시트를 내리 누르는 도구를 이용하여 페로브스카이트 층에 문질러서 Ag 나노와이어를 페로브스카이트 셀 위에 전사시켰다. 


이렇게 해서 저급 태양전지의 효율을 11.4%에서 17%로 증가시켰다. 참고로 페로브스카이트 태양전지 단독은 12.7% 효율을 가졌다.  


참고: http://cleantechnica.com/2015/01/16/solar-cell-efficiency-jumps-50-with-perovskite-layer/

2015년 1월 10일 토요일

벌크 이종접합 유기 태양전지 소자 기초

벌크 이종접합 태양전지의 흡수층은 유기 반도체인 도너와 업셉터 분자로 만들어진다. 도너는 공액 고분자, 올리고머 또는 공액 안료이고 업셉터는 대부분 플러렌 파생물이다. 

포톤 흡수에 의해 생성된 엑시톤은 유기 물질의 저유전율로 인해 자유 캐리어로 분리되기 어렵다. 

유전상수가 3~4인 물질내에서 1 nm 떨어진 전자와 홀의 쿨롱 결합 에너지는 0.35~0.5 eV이다. 이 에너지는 상온의 열에너지 보다 크기 때문에 자유 전하 캐리어 생성을 촉진시키기 위해 전자 업셉터 분자가 유기 반도체 도너에 첨가될 필요가 있다. 



도너와 업셉터 물질의 LUMO 준위 에너지 또는 전자 친화력의 차이가 전자를 도너에서 업셉터로 신속히 이동시키는 구동력이다. 

유기 반도체에서 엑시톤의 수명이 <1 ns로 상대적으로 매우 짧기 때문에 효율적인 전하 생성을 위해서는 전하 분리가 매우 빨리 일어나야 한다.  

효율적인 전하 생성을 위한 2번째 전제 조건은 엑시톤이 가장 가까운 도너/업셉터 계면에서 엑시톤 확산 거리 안에 생성되어야 한다. 

엑시톤 확산 거리른 10 nm이니깐 도너와 업셉터 moieties가 나노 규모로 서로 섞여야 한다는 것을 의미한다. 

이 통찰은 1995년에 Yu et al.이 벌크 이종접합 컨셉을 만드는 계기가 되었다. 이 컨셉은 어떤 도너와 업셉터 물질을 섞느냐도 중요하지만 도너-업셉터 혼합물의 나노-모폴로지를 제어하는 것이 중요하다.

벌크 이종접합의 이상적인 나노-모폴로지가 어때야 하는지 대한 완전한 합의는 여전히 없다. 




도너 물질 안에 업셉터 물질을 매우 미세하게 분산시키면 전하 생성은 좋지만 전하 수송은 나쁘다(그림 4a).

이상적인 전하 수송은 이중층 스택으로 도너와 업셉터 물질을 배열시키는 것이다(그림 4b). 다른 한편으로는 전하 생성은 두 층 사이의 계면에서만 일어나고 전반적으로 나쁘다.

모폴로지 시뮬레이션 결과, 그림 4c가 이상적인 성능을 내기에 가장 좋은 모폴로지로 나타났다. 매우 잘 정렬된 도너와 업셉터 도메인은 매우 우수한 전하 수송을 보증한다. 엑시톤 확산 거리의 2배의 도메인 넓이는 동시에 효과적인 전하 생성을 용이하게 한다.

하지만, 나노 패턴 모폴로지는 만들기가 힘들고 소자 제조 과정에서 도너와 업셉터의 상 분리가 다반사로 일어나다.

실질적인 벌크 이종접합 태양전지의 단면이 그림 4d에 나타나 있다. 연걸된 도메인의 크기는 수십 나노 미터 정도이다.

도너와 업셉터 사이의 계면적을 최적화하기 위한 몇몇 방법이 있다. 열처리, 적합한 용매 사용, 그리고 첨가제(diiodooctane 또는 dithiols) 사용이 그것이다.

나노-모폴로지는 주어진 물질 조합의 최적화에 매우 중요하지만 종합적으로 보면 소자 효율에 큰 영향을 미치지는 않는다.


유기 태양전지의 효율은 도너와 업셉터 moieties의 광학 밴드갭과 전자 친화력 차이에 의존한다. 



참고: Efficiency of bulk-heterojunction organic solar cells, M.C. Scharber, N.S. Sariciftci, Progess in polymer Science 38 (2013) 1929-1940

벌크 이종접합 유기 태양전지의 효율

현재 제품으로 나온 유기 태양전지 모듈의 효율은 1.5~2.5% 정도이다. 유기 태양전지의 사업이 커질려면 모듈 효율은 ~6%은 되어야 한다.

유기 태양전지의 내구성(수명)이 지난 10년 동안 엄청나게 향상되었다. 초기의 셀은 불활성 분위기에서 보관되어야 했는데 그 이유는 태양광에 노출에 빠르게 성능이 저하되기 때문이다. 하지만 오늘날의 소형 플렉서블 유기 태양전지 모듈은 몇년의 동작 수명을 갖는다. 

광활성 물질의 교묘한 디자인이 유기 흡수층의 광화학적 안정성을 향상시키지만 엄격한 encapsulation이 장기 안정성에 꼭 필요하다. 

Manceau et al.은 인공 광원과 외부 환경에서 반도체 폴리머에 대한 광화학적 안정성을 연구 했는데 side chain을 포함한 분자 구조가 광화학적 안정성에 강한 영향을 미친다는 것을 알았다. 

Tromhot et al.과 Hoke et al.은 광조사와 외부 환경하에서 유기 반도체 도너/업셉터 혼합물의 광화학적 안정성을 연구했다. 그들은 업셉터의 전자 친화력이 반도체층의 열화율을 결정한다는 것을 발견했다. 

대안적인 소자 디자인의 개발이 소자의 안정성을 상당한 향상시킨다.



(그림 5. 벌크 이종접합 태양전지의 서로 다른 소자 아키텍처. (a) 전면에 캐소드가 있는 표준 소자 디자인. (b) ITO 위에 캐소드가 있는 반저 소자 아키텍처)


초기 소자는 일함수 낮은 금속(Ca, Ba, Al)을 캐소드로 이용했는데 산소와 물에 노출되면 바로 산화되어 효율이 급작스럽게 감소하는 결과를 낳았다. 

위와 같은 캐소드 금속의 빠른 열화를 극복하기 위해 반전 디자인이 제안되었는데 낮은 일함수 금속을 투명 산화물인 ZnO 또는 TiO2 또는 얇은 중간층으로 변형된 안정적인 전극으로 대신한 것이다. 애노드 물질으로 Ag와 Au 또는 홀 주입층 PEDOT:PSS을 사용했다. 


반전 소자의 추가적인 이점은 모든 층을 용액으로 부터 코팅할 수 있어 진공 공정이 필요없다는 것이다. 

참고: Efficiency of bulk-heterojunction organic solar cells, M.C. Scharber, N.S. Sariciftci, Progess in polymer Science 38 (2013) 1929-1940




HBC Si 태양전지 개발

Heterojunction back contact(HBC) 구조 Si 태양전지는 back contact 기술과 a-Si 박막 태양전지 생산 기술을 이용한 것인데 25.1%의 효율을 얻었다. 특히, FF가 81.9로써 매우 높으며 이것은 이 구조가 직렬 저항과 누설 전류와 같은 심각한 손실이 없다는 것을 나타낸다. 

HBC 구조는 back contact의 장점인 전면 전극에 의한 빛가림 영향이 없기 때문에 매우 높은 Jsc와 heterojunction 구조의 장점인 c-Si와 a-Si:H 사이의 고품질의 패시베이션에 의한 매우 높은 Voc를 결합한 것이다. 

Heterojunction 기술은 c-Si 표면에 a-Si:H을 증착해서 소수 캐리어의 수명을 높여 Voc를 증가시킨다. 

 기존의 back contact 구조에서는 a-Si:H층이 없기 때문에 HBC 구조의 셀을 제조하기 위해서는 c-Si 위의 a-Si:H 막을 패터닝하는 기술이 필요하다. 

HBC 구조에서 패터닝 공정은 정밀한 BC 구조 형성과 c-Si/a-Si:H 이종계면의 패시베이션 품질에 영향을 준다. 

패터닝 공정에서 고려해하는 것은 다음과 같다. 

A) 의도한 대로 정밀한 패턴 형성
B) 각 계면에서 패시베이션 품질 유지
C) 광입사면에서 반사율과 투과율와 같은 광학적 특성 저하 방지
D) 직렬 저항 증가 억제
E) shunt 저항 감소 억제  


HBC 셀의 제조 공정 순서는 아래와 같다. 

1) CZ, n-type <100> Si 웨이퍼 기판
2) 웨이퍼 표면 결함 제거:화학적 에칭
3)기판 단면 텍스처링: alkaline 에칭  
4)클리닝, 전처리(HF:H2O)
5)기판 전면에 a-Si:H(i/n) 층, 후면에 a-Si:H(i/p) 층을 PECVD로 증착 
6)후면의 a-Si:H(i/p) 층을 패터닝(NHO3:HF:H2O, 포토리소그라피) 
7)후면에 a-Si:H(i/n) 층 증착(PECVD)
8)후면 a-Si:H(i/n) 패터닝(KOH:H2O, 포토리소그라피)
9)전면의 a-Si:H 층 위에 SiN 반사방지층 형성(PECVD)
10)후면에 접촉 전극을 a-Si:H 층 위에 evaporation하고 패터닝(포토리소그라피) 



HBC  셀의 I-V 측정을 위해 독특한 평가 방식인 SMT(Surface-Mount Technology)를 이용했다. 셀을 PWB(Printed-Wiring Board)에 바로 올리면 셀의 전극이 wiring 라인에 바로 연결된다.  

I-V 곡선의 파라미터(@aperture 면적 3.713 cm2)는 Jsc 41.7 mA/cm2, Voc 736 mv, F.F 0.819, Eff 25.1% 였다. 여기서 F.F가 상당히 높은데 이는 c-Si 위의 a-Si:H의 패터닝 공정으로 인한 측면 캐리어 흐름으로 직렬 저항 증가와 이미터와 컬렉터 영역이 가까워져서 생기는 shunt 저항 감소가 없었다는 것을 보여 준다.  


HBC 셀의 Voc가 양면 heterojunction 구조에 비해 낮은데 이는 HBC 셀의 각 c-Si/a-Si:H 계면에서의 소수 캐리어의 재결합 센터를 줄임으로써 Voc을 향상시킬 수 있다. 

참고: Development of heterojunction back contact Si solar cells, Junichi Nakamura, et al., 29th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition.

2015년 1월 3일 토요일

Nanograss가 유기 태양전지의 효율을 증가시키다

Nanograss는 광포집을 위한 싸게 형성할 수 있는 수직 나노기둥의 조밀한 어레이다. 

10년간 시행착오 결과, 과학자들은 유기 태양전지에서 이상적인 PN 접합 구조는 어느 한 타입(P 또는 N)의 반도체로 만들어진 수직 나노기둥 시리즈 주위에 반대 타입의 반도체로 둘러싸는 것이라고 믿고 있다.

이 구조는 광트랩핑에 매우 효과적이여서 엄청난 양의 전하를 수집할 수 있다. 

Alejandro Briseno(UMass Amherst) 교수는 유기 태양전지에 적용하기 위한 nanograss을 만들 수 있는 간단하고 실용적인 기술을 개발했다.  



Nanograss을 상장시키기 위해 소스 유기 반도체(P 또는 N 타입)와 그래핀 기판을 거의 진공의 온도 구배가 있는 퍼니스에 위치시킨다. 낮은 온도에서는 초기 초박막이 형성되고 온도가 점점 증가됨에 따라 반도체 화합물이 동전 더미 처럼 쌓이기 시작하여 단결정 나노기둥의 3D 어레이로 성장한다.   






연구자들은 nanograss를 유기 태양전지에 적용했을 때 효율이 2.2에서 2.9%로 증가하는 것을 알았다.  

참고: http://www.gizmag.com/nanograss-solar-cell/34080/pictures#2

2015년 1월 2일 금요일

SunPower의 다음 Big Thing은?

SunPower의 다음 big thing은 태양전지 에너지 관리 시스템과 에너지 저장 시스템의 통합이다. 이 일은 3~5년 내에 가능하리고 한다. 

구체적으로 배터리 기반 저장 시스템과 솔라 시스템를 결합해서  단일 가정에 에너지 서비스 제공자가 되는 것이다. 그렇게 하면 에너지를 저장과 사용을 자기마음대로 할 수 있어 전기요금을 완벽하게 제어할 수 있다. 그리드는 단지 백업이다. 


에너지 저장에 있어서 가격이 제일 큰 문제이고 크기가 그 다음이다.  

지금은 에너지 저장 시스템의 크기는 작은 냉장고 또는 보일러 만 한데 더 작게 만들 필요가 있다. 에너지 저장 시스템을 작게 만드는 비결은 이 시스템을 전체 시스템에 통합하는 것일 것이다. 


참고: http://www.mercurynews.com/business/ci_25777563/q-sunpower-ceo-tom-werner-solars-next-big