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