2016년 12월 3일 토요일

페로브스카이트 태양전지의 새로운 효율 갱신

UNSW의 Anita Ho-Baillie팀은 셀 면적 16 cm2의 페로브스카이트 태양전지에서 효율12%을 달성했다. 지금 까지 인증을 받은 단일 페로브스카이트 셀이다. 


1.2 cm2 면적의 단일 페로브스카이트 셀의 경우 효율은 18% 이고 4개 셀로 이루어진 페로브스카이트 미니 모듈(16 cm2)은 효율 11.5%이다. 

참고: http://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/trendy-solar-cells-hit-new-world-efficiency-record

2016년 11월 26일 토요일

Graded 밴드갭 페로브스카이트 태양전지가 효율 20% 이상 달성

UC Berkeley와 Berkeley Lab이 graded 밴드갭 구조를 디자인해서 Lab 효율 21.7%(반사 방지막 없이)을 달성했다.

graded 밴드갭 구조는 서로 다른 파장의 태양광을 흡수하도록 2개의 페로브스카이트 물질(CH3NH3SnI3, CH3NH3PbI3-xBrx)을 결합시킨 것이다. 이 새로운 샌드위치 아키텍처는 태양전지가 가시광의 거의 전 스펙트럼을 흡수하게 한다.

그들은 graded 밴드갭 구조를 만들기 위해 2개의 서로 다른 페로브스카이트 물질을 붙이고 그들 사이에  단층 hexagonal boron nitride(h-BN) 박막을 끼워 넣어 분리시켰다.

h-BN은 양이온 확산 베리어와 흡착 촉진제로 이용되었는데 이는 새로운 소자 제조에 있어서 거부감이 없고 물질 특성의 나노 제어가 가능케 한다

참고: http://www.solarnovus.com/graded-band-gap-perovskite-solar-cell-achieves-20-efficiency_N10500.html

2016년 11월 24일 목요일

매우 낮은 driving force을 갖는 고효율 유기 태양전지

LiU의 연구자들은 이전에 비해 매우 낮은 driving force와 빠른 전하 분리를 갖는 유기 태양전지를 개발했다. 

태양에 의해 방출된 포톤이 유기 반도체에 흡수되면 엑시톤이 생성된다. Driving force는 엑시톤을 자유 캐리어로 분리시키는데 필요한 에너지이며 도너/업셉터 물질의 밴드갭과 charge transfer(CT) state 에너지 사이의 오프셋으로 정의된다. Driving force는 결과적으로 광 전압의 저하를 낳는다. Driving force가 낮을 수록 광 전압은 증가한다. 

전통적인 고효율 유기 태양전지는 반도체 폴리머와 플러렌으로 알려진 탄소 공으로 이루어져 있다. 이 경우 driving force는 0.3 eV이다. 


연구자들은 플러렌을 반도체 저 분자 물질로 대체(도너와 업셉터간 에너지 오프셋 조절이 쉬움)하여 소자의 driving force(거의 에너지 밴드갭과 동일함)를 낮춰 0.61 V의 낮은 전압 손실에도 불구하고 Voc 1.11V인 셀 효율 9.5%을 시연했다. 또한 폴리머:저 분자 결합이 더 안정적이라는 것을 알았다.


(그림 1. a. P3TEA(도너)와 SF-PDI2(업셉터)의 화학 구조. b. blend A 기반 태양전지의 J-V 곡선. c. blend A 기반 태양전지의 EQE 곡선)


<작은 전압 손실의 원리>


Balance 이론에 기초한 태양전지의 전압 손실은 3인자에 기인할 수 있다. 
첫번째 인자는 Egap-qVocSQ이며 밴드갭 이상에서 흡수가 있을때 방사 재결합에 의한 전압 손실이다. 이손실은 모든 태양전지에서 피할수 없고 일반적으로 0.25~0.30eV이다. 
두번째 인자는 qΔVoc(rad,below gap)은 밴드갭 아래에서 흡수가 있을때 추가적인 방사 재결합에 의한 전압 손실이다. 무기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지는 무시할 수 있는 정도이지만 P3HT:PCBM 기반 OSC는 0.67V이다. OSCs의 경우 qΔVoc(rad,below gap)가 큰 이유는 CT state가 존재하여 밴드갭을 낮추기 때문이다. qΔVoc(rad,below gap)을 최소화하기 위해서는 singlet exciton과 CT state간의 에너지 차이를 최소화하는 것이다. P3TEA가 적용된 blend A의 경우 CT state에 의한 흡수가 없어 qΔVoc(rad,below gap)가 0.07V로 무기 태양전지의 값에 비길 만 하다. 
세번째 인자는 qΔVoc(non-rad)= -kT ln(EQEEL)이며 비방사 결합에 기인한다. 이 손실을 줄이기 위해서는 EQEEL을 최대화하는 것이다. Blend A의 경우, 상대적으로 높은 EQEEL보여 전압 손실이 0.26V로서 e-beam 성막된 페로브스카이트의 전압 손실과 비슷하다. 



참고: http://liu.se/forskning/forskningsnyheter/1.698103?l=en
Fast charge separation in a non-fullerene organic solar cell with a small driving force, Jing Liu, et al. Nature energy, 27 June 2016.





2016년 11월 17일 목요일

ANU가 페로브스카이트-Si 탠덤 태양전지 효율 24.5%을 기록하다

ANU(Australian National University)은 소량의 인듐을 전자 수송층에 첨가하는 새로운 제조 기술을 발표했다. 이 기술은 간단한 원 스텝 용액 기반 공정이다. 

그들은 인듐을 전자 수송층인 TiO2에 도핑하여 순수 TiO2 대비 전도도 증가와 적당한 일함수로 페로브스카이트/TiO2 계면의 밴드 얼라이먼트 향상을 통해 FF와 Voc를 증가시켰다.

ANU 연구자들은 최적화된 TiO2층을 사용하여 CH3NH3PbI 기반 셀과 Cs0.05FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 기반 셀에 대해 각각 정상-상태 효율 17.9%와 19.3%을 얻었다.


또한, 4 터미널 페로브스카이트-Si 탠덤 셀에서 정상-상태 효율 24.5%을 달성했다. 여기에 정상-상태 효율 16.6%을 갖는 반 투명 페로브스카이트 셀이 이용됐다. 


참고: http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201601768/full


2016년 7월 18일 월요일

새로운 non-fullerene 업셉터를 적용한 고효율과 공기 안정성이 높은 P3HT 기반 폴리머 태양전지

현재 고효율 유기 태양전지(organic photovoltaics, OPV)는 저밴드갭 도너 폴리머를 사용하고 있는데 안정성과 합성 비용이 해결해야할 문제이다. 

또한 기존 OPV는 플러렌 기반 어셉터를 사용하는데 비싸고 불안정하고 광흡수가 제한적이라는 이슈가 있다.

Imperial Colleage London과 KAUST 연구자들은 플러렌을 대체할 수 있는 업셉터 물질을 개발했다. 이 물질은 indacenodithiopene(IDT) 유닛이 코어에 있는 IDTBR인데 현재 유일하게 대량 구매가 가능한 넓은 밴드갭 도너 물질인 P3HT와 함께 있을때 광전기적과 모폴로지 특성이 잘 매칭되었다. 역구조 셀 아키텍처(glass/ITO/ZnO/P3HT:IDTBR(75nm)/MoO3/Ag, active area 0.045cm2, 공기중에서 효율 측정)에서 6.4% 효율을 보였다. 



(그림 3 ⎜ IDTBR:P3HT 소자의 J-V 특성과 EQE)

O-IDTBR:P3HT 소자가 EH-IDTBR:P3HT 소자에 비해 Jsc가 높은 이유는 어닐링 후 O-IDTBR의 red-shifted 흡수로 인한 800nm이상 확장된 O-IDTBR의 EQE 때문이다.

그들은 새로운 폴리머로 만들어진 셀에서 안정성로서 공기 중에서 소자 수명과 고온 테스트를 진행했다.

(그림 7 ⎜ 태양전지 안정성)

O-IDTBR:P3HT 소자는 평가 재료 중에서 가장 낮은 열화를 보였다. 60hr 후에 효율이 소폭 감소가 있은 후 효율은 상대적으로 안정적이다가 1200h 후에도 초기 효율의 72%을 보였다.

140도 1시간 어닐링 테스트에서 PC60BM:P3HT은 1~20um의 큰 응집물이 나타난 반면 O-IDTBR:P3HT는 매끄러운 표면을 유지했다.


참고: http://www.nature.com/ncomms/2016/160609/ncomms11585/full/ncomms11585.html

2016년 7월 3일 일요일

새롭게 발견된 광수확 특성이 태양전지를 더 싸게 만들수 있게 한다

Imperial College London 팀은 어떤 특별한 분자 구조가 폴리머 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있는지 밝혀냈다. 

폴리머 태양전지는 Si 태양전지에 비해 효율이 낮아 널리 채택되지 못하고 있다. 

태양전지 효율 증가는  더 많은 빛[ 적외선과 적색광]을 흡수하는 물질로 변경하는 것에 달려 있다. 이를 위해 화학자들은 물질의 화학적 구조 변화에 초점을 맞춘다.

하지만 그들은 화학적 구조 변화없이 50%까지 더 빛을 흡수하는 물질을 찾았다. 이 특성은 물질의 분자가 바깥쪽으로 늘어지는 능력으로 생긴다.



폴리머 플라스틱은 수 많은 모노머로 구성되어 있고 이들 각개 모노머가 구부려져 형성되는 체인이 물질의 흡수 특성에 영향을 준다. 

만약 태양전지 내의 폴리머 체인이 똑바로 정렬되어 있지 않으면 그 물질은 빛을 잘 흡수하지 못한다. 이 기계적 강도 특성은 폴리머의“persistence length”로 정량화될 수 있다.


팀은 persistence length가 다른 새로운 폴리머를 분석함으로서 그들의 이론을 테스트했다. 그들은 더 단단한 폴리머가 더 효율이 좋은 플라스틱 태양전지에 사용될 수 있다는 것을 확인했다. 

참고:http://www3.imperial.ac.uk/newsandeventspggrp/imperialcollege/newssummary/news_22-6-2016-15-24-49

2016년 6월 30일 목요일

새로운 에너지 전달 물질이 태양전지를 진보시키다

여러 대학(UC San Diego, MIT, Havard University)이 공동 연구를 통해 새로운 에너지 운반 입자를 설계하고 합성했다. 그 입자는 topological plexcitons이라고 하는데 exciton 에너지 전달(exciton energy transfer, EET) 과정을 통해 전자가 더 잘 수송되게 하여 새로운 형태의 태양전지의 개발에 쓰일 수 있다. 

많은 연구자들은 EET의 단거리 본성(10nm)에 의해 애를 먹었다. 더우기 exciton[ Exciton은 유기 태양전지에서 에너지의 이동 첫 단계의 주요 선수이다.]은 다른 분자와 상호작용하여 에너지가 빠르게 소멸된다.  

연구팀은 excitons과 excitations을 혼성화하여 exciton을 더 멀리 보낼 수 있는 길을 열었다. Excitations은 plasmons이라고 불리는 매우 파동적인 성질을 갖고 있다.  

Plasmons과 excitations은 plexcitons이다. Plexcitons은 매우 주목을 받고 있는데 물질과 파동 성분 모두 갖고 있어 화학적 반응을 겪을 뿐아니라 포톤과 같이 매우 빠르게 움직인다.   

   Plexcitons은 모든 방향을 따라 움직이는 것이 단점이다. 이 문제를 해결하기 위해 toplogical insulators를 생각해 냈다. 이 물질은 완벽한 벌크 상태에서는 절연체이지만 에지에서는 완벽하게 한 방향 금속처럼 거동한다. 즉 도폴로지적으로 보호된 에지 상태를 갖고 있는 것이다. 

이 절연체를 이용해서 인가 전기장에 따라 왼쪽으로만, 오른쪽으로만 움직이는 topological plexictons을 만들었다. 놀라운 사실은 그 물질 안에 불순물이 있어도 한 방향으로 움직이는 에너지는 뒤로 튕기지 않는다는 것이다. 


이 연구로 부터 새로운 종류의 태양전지의 서로 다른 구성 요소에서 선택적으로 에너지를 부여하는 plexcitonic 스위치를 만들 수 있을 것이다. 


참고: http://www.designnews.com/author.asp?doc_id=280745


2016년 6월 26일 일요일

Imec이 높은 값의 bifaciality 셀을 개발하다



Imec은 2016 Intersolar에서 bifaciality97%에 달하는 bifacial 태양전지를 발표했다. Bifacial 셀은 빛을 셀 양면에서 받아들이기 때문에 효율을 상당히 증가시킬 수 있다. Bifacial 셀은 전통적인 유리 백시트 모듈과 결합될 수 있다. 이 구성일 때 백시트에서 적외선의 산란 혜택을 얻는다. 이 혜택은 후면 전극 반사체 부족과 셀 사이 갭에서의 빛 반사를 보상한다. 

Imec의 bifacial n-PERT(BiPERT)은 매우 얇은(<5 um) Ni/Ag 도금 접촉이 특징이다. 셀 양면이 Ni/Ag 접촉으로 되어 있고 busbar가 없다. 또한 multi-wire interconnection 기술 적용으로 음영과 금속 접촉 면적을 줄였다.

BiPERT 태양전지(n-type Cz-Si, 239cm2)의 후면으로 부터 측정된 전류는 39.8 mA/cm2이고 전면으로 부터는 41.2 mA/cm2으로 bifaciality 값은 80~90%이다. 

더우기, 후면 이미터 구조인 BiPERT 셀은 전면 광 조사와 반사 척 없이 22.6%가 넘는 뛰어난 효율을 나타냈다. 


향후, Imec은 셀 공정 최적화와 전면 이미터 구조를 채용하여 셀 효율과 에너지 생산량을 더욱더 증가시킬 계획이다. 


참고: http://www.electronics-eetimes.com/news/solar-cells-high-bifaciality-developed