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⎜