2015년 2월 28일 토요일

UCLA 연구자들이 향상된 유기 태양전지의 핵심을 밝히다

태양광 스펙트럼의 많은 부분을 흡수하기 위한 새로운 폴리머 개발이 필요하다. 이를 위해 다른 분자 구조의 새로운 폴리머를 개발하거나 두 가지 이상의 폴리머를 혼합하는 방법이 있다. 후자는 큰 효율 개선을 이루는 것이 어려운 것으로 알려져 있다. 



UCLA의 연구자들은 폴리머가 서로 호환이 되는 분자 구조를 갖는 폴리머를 신중하게 선택했다.

그들의 폴리머의 선택 방법은 서로 다른 폴리머 조합, 폴리머의 결정 크기, 그리고 셀 아키텍처로 평가하여 어떤 혼합이 효율을 향상시키고 어떤 조합일 때 서로 호환되지 않은지 결정하는 것이다. 


이렇게 함으로써 그들은 효율을 향상시킬 수 있는 폴리머의 적절한 쌍을 선택하기 위한 규칙을 발견했다. 


참고: http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-researchers-identify-keys-to-improved-polymer-solar-cells

2015년 2월 22일 일요일

Ge 나노결정의 캐리어 증식_캐리어 증식 현상

이 연구는 SiO2 매트릭스 내의 Ge 나노 결정의 고체 분산에서 캐리어 증식(carrier multiplication, CM) 현상을 보여 준다. 이것은 캐리어 증식이 일어나는 임계 에너지 이상과 이하의 서로 다른 펌프 포톤 에너지에서 초고속 photo-induced absorption transient를 비교함으로써 이루어졌다. 

PL과 라만 스펙트럼으로 부터 평균 Ge 나노입자의 크기는 대략 5~6 nm이었고 Ge의 광학 밴드갭의 2.8배의 광 여기 에너지에서 캐리어 증식 효율은 대략 190%였다. 

고에너지 포톤은 energetic e-h 쌍을 만들고 전류의 형태로 추출되기 전에 먼저 냉각된다; 즉, 입사광의 상당 부분이 열로 변환된다.

CM 현상은 추가 자유 캐리어을 만들어 열 에너지 손실량을 줄인다.  

Si과 같은 벌크 물질에서 CM은 hot carrier에 의한 충격 이온화를 통해 일어난다.  하지만 그 효율은 매우 효과적인 캐리어-쿨링 과정과 경쟁함으로써 상대적으로 낮다.  

CM은 그래핀과 PbS 나노시트(2차원 구속), 탄소 나노튜브와 PbSe 나노기둥(1차원 구속) 그리고 양자점(0차원 구속)과 같은 공간적으로 구속된 물질에서 상당히 강화된다는 것을 알았다. 

양자점의 경우, CM은 콜로이드 분산 또는 고체 매트릭스 내에 임베디드된 양자점에 대한 연구가 이루어지고 있다. 

보통, 공간적으로 구속된 물질내에서 캐리어들 사이의 쿨롱 상호작용은 증가한다. 그것에 의해 CM과 Auger 재결합과 같은 전하 산란 과정은 강화된다. 따라서 구속이 강하면 CM 과정의 효율은 커진다. 

Ge은 특유의 특성으로 인해 관심을 끌고 있는데 높은 화학적 순도, 등방성의 큰 다양성, 직접과 간접 밴드갭에 가까운 독특한 밴드 구조, 그리고 스트레스에 대한 민감성을 갖는다.  
벌크 Ge의 밴드갭은 0.67 eV로 태양전지에서 CM을 이용하기에 거의 이상적이다.

Ge 나노 결정이 임베디드된 SiO2 매트릭스는 멀티 타켓 챔버를 이용하여 고주파 cosputtering에 의해 만들어진다. 막의 두께는 500 nm 정도이고 Ge 함량은 20%이다.

증착 후 샘플은 N2 분위기 1100도,30분에서 어닐링된다. 어닐링 단계 동안 Ge이 작은 결정 분리되어 SiO2 매트릭스 내에서 임베디드된다.


(그림 2 (a) 흡수 곡선(청색)과 PL 곡선(적색). (b) Lorentzian fit(점선)이 있는 Ge 나노결정의 라만 스펙트럼(갈색). 비교를 위한 벌크 Ge의 라만 스펙트럼(녹색). 라만 피크의 이동은 양자 구속에 의한 것이다.)

Ge 나노결정은 정상-상태 흡수와 PL 스펙트럼 측정을 통해 광학적으로 특성 분석되었다.

PL 스펙트럼에서 최대값의 위치는 광학적 밴드갭 1.25 eV 뜻하는데 이는 Ge 나노결정의 지름이 4~5 nm 해당하는 이론적 계산에 해당한다. 하지만 Ge 나노결정에 관해서 이론적 모델과 실험 결과 사이에는 명확한 불일치가 있다. 

평균 Ge 나노결정의 지름은 라만 스펙트럼의 폭 및/또는 shift 부터 예상할 있다. 라만 피크의 shift 양자 구속의 존재 아니라 시스템 내의 스트레스에 의해 나타난다.

실험적으로 측정된 shift  Ge 나노결정의 지름이 2 nm 의미하지만 실험적으로 측정된 라만 피크의 값은 Ge 나노결정의 지름이 ~6 nm 해당한다.    

샘플에서 측정된 shift 스트레스에 의한 것이기 때문에 Ge 나노결정의 평균 크기는 대략 5~6 nm라고 가정한다



(여기 파장 800 nm(a)와 400 nm(b)에 대한 검출 파장 1300 nm 근처에서 측정된 transient absorption(TA) 다이나믹스. 400 nm 일때 double-exponential decay는 CM의 증거이다. 삽화는 흡수 광자 fluence에 대한 TA의 최대 크기와 single exciton decay 꼬리의 크기의 비를 나타낸다.)


(펌프 포톤의 저에너지(a)와 고에너지(b) 사이의 차이)


참고: Carrier multiplication in germanium nanocrystals, Saba Saed, et al., Light: Science & Application (2015) 4, e251;doi:10.1038/Isa.2015.24 









2015년 2월 21일 토요일

Natcore가 최초로 Ge 양자점 기반 태양전지를 개발하다

Natcore Tchnology Inc.와 Rice 대학의 과학자들은 일반적인 n형 Si 웨이퍼에 Ge 양자점을 이용해서 성공적으로 이종접합 태양전지를 만들었다. 

각개의 Ge 양자점은 SiO2로 감싸여져 있고 p형을 띄며 Natcore의 LPD(liquid phase deposition) 공정을 통해 SiO2 막이 형성되어 있는 상용 등급의 Si 웨이퍼 위에 증착했다. 그런 다음 웨이퍼에 접촉을 형성하여 셀을 만들었다. 

양자점의 장점은 양자점의 크기를 세심하게 제어하면 빛의 특정 스펙트럼의 에너지를 포획할 수 있도록 튜닝이 가능하다는 것이다.  


포획되지 않은 스펙트럼의 부분은 아래 다음 층으로 전달되어 특별하게 튜닝된 저밴드갭 양자점이나 일반적인 Si 웨이퍼가 포획할 수 있다.  



참고: http://www.natcoresolar.com/news/natcore-produces-first-germanium-quantum-dot-based-solar-cell/

2015년 2월 14일 토요일

Co-solvent 첨가에 의한 효율 증가 이유를 알다

Technische Universiteit Eindhoven(TU/e)의 연구팀은 유기 태양전지의 제조 과정에 co-solvent를 첨가하면 효율이 2~3배 증가되는 이유를 밝히는데 성공했다.

유기 태양전지에서 광활성 물질인 두 플라스틱 물질(폴리머와 플러렌)을 혼합할 때 co-solvent를 이용하는 것은 보편적이다. 

Co-solvent는 혼합된 두 플라스틱 물질의 미세한 구조인 모폴로지와 관계가 있다. 

이 혼합된 플라스틱 용액을 증발시키고 웅고시키면 광활성층이 만들어 진다.



Co-solvent를 첨가하지 않았을 때는 플라스틱 혼합물이 굳을 때 플러렌 덩어리가 생겼다. 이 방울은 전자 이동에 불리한 영향을 주어 셀 효율을 떨어뜨린다.  

Co-solvent를 많이 첨가 시킬수록 플러렌 덩어리는 작아지고 특정한 첨가량에서 이 덩어리는 완전히 사라졌다. 꼭 베이킹 파우더 효과가 나타났다.


혼합물 경화 과정 동안 두 효과가 일어난다. 용액 증발과 폴리머의 “접힌” 구조 생성이다. Co-solvent는 이 접힌 현상을 경화 단계 보다 훨씬 이전 단계에서 일으켜서 폴러렌 덩어리가 경화 과정에서 발생하지 않게 한다. 


참고: http://www.azom.com/news.aspx?newsID=43269

2015년 2월 7일 토요일

폴리머-플러렌 벌크 이종접합 태양전지 - I-V 곡선 특성

태양전지용 유기 반도체는 단결정도 물론 있지만 대부분 무질서한 비정질 또는 다결정이다. 무질서는 쉽고 값싼 공정을 의미한다; 유기 반도체는 저온 열증발, 또는 용액을 프린팅 또는 스핀 코팅함으로써 형성된다. 

하지만 이 무질서는 전하 수송에는 좋지 않아 소자의 효율을 떨어뜨린다. 그렇다고 낮은 전하 이동도가 유기 태양전지의 효율을 제한하는 주요한 인자는 아니다. 


벌크 이종 접합 유기 태양전지는 무질서한 유기 반도체 내의 짧은 엑시톤 확산 거리와 충분한 광흡수를 고려한 구조이며 도너와 업셉터의 계면은 평면이 아니라 공간적으로 분산되어 있다. 

이 태양전지는 셀 전체에 걸쳐 엑시톤 분리를 매우 효과적으로 할 수 있는 것이 장점이지만 증가된 무질서로 인해 엑시톤을 떼어 놓은 것은 여전히 어렵다. 

모폴로지는 효율 향상에 중요한 역할을 한다. 용매 선택, 어닐링, 상분리 최적화를 위한 첨가제, 그리고 coevaporation을 통해 효과적인 엑시톤 분리와 전하 수송 능력이 향상되기 때문이다.  


(그림 2. 벌크 이종접합 태양전지의 (a) 선형과 (b) 세미 로그의 I-V 특성 계략도. 유기 태양전지 소자에서 광전류는 보통 일정하지 않고 전압에 의존적이다. 그래서 광전류는 필연적으로 Jsc 조건에서 포화되지 않고 음의 전압 바이어스에서 포화된다. 이것은 FF와 결국 효율을 떨어뜨린다. 따라서 Shockley diode 방정식이 유기 태양전지에 적용될 때 직렬 저항과 병렬 저항은 전압 의존적이여한다.)

유기 태양전지도 무기 태양전지와 같이 I-V 특성을 얻기 위해 유명한 Shockley diode 방정식을 이용한다. 

이상적인 Shockley 방정식에 두 저항(직렬 저항, 병렬 저항)을 추가한다. 직렬 저항은 접촉 저항인 injection barrier와 면저항을 나타낸다. 병렬 저항은 diode를 피해 흐르는 추가 전류 경로인 두 전극 사이의 지역적 선트를 대변한다. 

유기 태양전지에서 광전류 특성이 전압에 의존하는 이유는 엑시톤이 전자와 홀로 분리되어 추출되기 때문이다. 이것으로 병렬 저항이 전압에 의존적이라는 것을 명백히 알 수 있다. 


직렬 저항의 경우 유기 반도체가 무기 반도체 비해 전도도가 낮기 때문에 전압에 부분적으로 의존한다. 고전압에서 공간 전하가 형성되면 공간 전하가 전류를 제한시켜 버린다.


참고: Polymer-Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Carsten Beibel, Vladimir Dyakonov, Rep. Prog. Phys. 73, 096401 (2010)