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