2017년 8월 29일 화요일

단결정 페로브스카이트 태양전지 개발(효율 8.78%)

최근, 페로브스카이트 태양전지 효율이 22.1%까지 발표되었으나 이론적 한계 효율인 31%까지는 미치지 못했다. 따라서 연구자들은 페로브스카이트 태양전지 성능 개선을 위해 새로운 전략을 고민하고 있다. 

기존의 페로브스카이트 태양전지는 다결정 CH3HN3PbI3 막에 기반하고 있다. 그래서 grain 내부와 경계에 수 많은 결함을 피할 수 없다. 

연구자들은 광 생성된 캐리어가 긴 확산 거리와 긴 수명과 같은 특별한 광전지 특성을 갖는 CH3NH3PbI3 단결정을 만들려고 노력해왔다.

하지만, 단결정 페로브스카이트은 이례적인 광-캐리어 특성에도 불구하고 소자 구조에 적용될 경우 전자 수집층 TiO2와의 계면 특성 문제로 효율 이득은 없었다.       


( (a) 온도 구배와 모세관 효과에 의한 자기 성장 도식도; (b) FTO/TiO2 위의 CH3NH3PbI3 단면 SEM 이미지; (c) 단결정 CH3NH3PbI3의 고해상도 TEM 이미지)

지금, 중국과 미국 과학들이 전자를 수집하는 FTO/TiO2 기판 위에 직접적으로 단결정 CH3NH3PbI3 막을 성공적으로 성장시켰다(TiO2 층은 밀집된 TiO2 층위에 다공성 TiO2 층이 코팅되어 있다). FTO/TiO2 기판을 온도 120C로 맞춰진 CH3NH3PbI3 전구체 용액에 수직으로 담궜다. 대략 50~200um의 테프론 스페이서가 있는 또 다른 FTO/TiO2 기판을 전구체 용액에 평행하게 담궈 두 기판사이의 갭을 제어했다. 단결정 성장은 온도 구배와 모세관 효과로 이루어졌다. 

정말로 단결정 CH3NH3PbI3 막은 우수한 광전지 특성을 보여 줬다. 그림 2(a)에 보듯이 FTO 유리 기판위에 직접적으로 성장시킨 단결정 CH3NH3PbI3 막은 다결정 막에 비해 더 긴 수명을 갖는다는 것을 알 수 있다. TiO2 전자 수집층을 FTO에 추가 하면 TiO2/페로브스카이트 계면에서 효과적인 전하 추출에 의해 전하 캐리어 수명은 급격히 떨어진다.




결과로서, 단결정 페로브스카이트 태양전지의 효율은 8.78%을 나타냈다. 연구자들은 물질과 소자 최적화를 통해 효율 향상의 여지는 충분하다고 말한다. 

참고: https://phys.org/news/2017-08-single-crystal-perovskite-solar-cells.html

2017년 8월 19일 토요일

플러렌 소자가 태양전지와 인버터 모두 역할한다

다국적 팀이 자기 전극과 C60 플러렌의 결합을 이용하여 태양전지를 개발했다. 이 태양전지는 일반적인 재료와 구조를 이용한 것에 비해 효율이 14% 높았다. 

그들은 ITO와 Al 전극 대신 자기 전극(코발트와 니켈-철)을 사용했다. 자기 전극은 특정 방향의 스핀 전자를 제공하여 스핀 분극 전류가 생성시키는 역할을 한다. 

이 자기 전극을 태양전지에 적용하기 위해 연구자들은 광전기 효과와 스핀 수송 효과 모두 가지는 소자를 만들어야 했다. 즉 전자가 소자를 가로지를 때 스핀 방향을 유지해야 한다는 것이다. 

그들은 소자를 만들던 중 인버터 기능을 추가적으로 개발했다. 외부 자기장을 변화시켜 전류 방향을 바꾼 것이다.(※인버터는 태양전지에 의해 생성된 직류 전류를 교류 전류로 변환 시키는 기능을 한다.)  

그들의 소자의 전류는 2가지 소스로 부터 생성된다: 하나는 빛에 의한 것이고 다른 하나는 자기 전극으로 부터 온다.   

빛에 의해 생성된 전류는 빛의 양에 의해, 자기 전극으로 부터 온 전류는 자기장에 의해 바뀔 수 있다. 양쪽 기여에 대해 균형을 맞추는 것은 전체 전류의 흐름 방향을 바꿀 수 있다는 것을 의미한다. 

이 소자의 기능에 있어서 핵심은 C60 플러렌이다. C60은 광전기 물질인 동시에 전자 캐리어의 스핀 편극을 유지할 수 있다. 

소자에서 실제 전류 출력은 상당히 적었는데 C60이 광전기 물질로서 우수하지 않기 때문이다. 


참고: http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/solar-cell-and-a-current-inverter-combined-into-one-device

2017년 8월 16일 수요일

HTM에 폴리스티렌 마이크로겔 입자를 분산시켜 페로브스카이트 태양전지 안정성을 향상시키다

맨체스터 대학은 절연체인 폴리스티렌(polystyrene) 마이크로겔 입자(MGs, microgel particles)를 HTM(hole transport materials)에 분산시켜 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 개선시켰다. 

페로브스카이트 태양전지(PSCs, perovskite solar cells)에서 페로브스카이트 층은 본질적으로는 불안정하지 않지만 HTM 물질은 그렇지 않다. HTM 박막은 밀집된(congregated) 폴리머로 만들어지며 HTM은 상대적으로 비싸다. 



그들은 여러 종류의 HTM(PTAA(poly(triaryl amine), P3HT(poly(3-hexhlthiophene), Spiro-MeOTAD(Spiro))에 소수성인 폴리스티렌 마이크로겔 입자를 분산시켜 HTM 상(phase)을 바꾸었다.  

혼합된 HTM/MGs 분산액은 바로 페로브스카이트 층위에 스핀코팅되었다. 

PTAA와 P3HT의 경우, MGs와 합성되었때 막은 기계적으로 견고했지만, Spiro의 경우 상대적으로 작은 Spiro 분자가 얽히기가 어려워 막에 크랙이 발생했다. 

PTAA-MG(~35 vol%)와 P3HT-MG(~35 vol%) 적용된 PSCs는 컨트롤 PSCs에 비해 효율이 단지 ~20% 감소했다. 

이번 연구에서 예상치 못한 발견은 MGs가 PTAA 매트릭스내에 잘 분산되어 CH3NH3PbI3-xClx 형광 퀜칭을 강하게 돕는다는 것이다. 

또한, P3HT-MG PSCs는 컨트롤 PSCs에 비해 Voc가 ~170mV 증가했다. 


그들은 P3HT 기반 PSCs를 MGs로 봉지하면 안정성이 높아진다는 것도 알았다. 


참고: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/nr/c7nr02650a#!divAbstract

2017년 8월 15일 화요일

Imec이 4cm2 페로브스카이트/Si 4-터미널 탠덤 태양전지 효율 23.8% 발표

Imec이 4cm2 페로브스카이트/Si 4-터미널 탠덤 태양전지 모듈로 효율 23.9%을 발표했다. 탠덤 구조는 IBC c-Si 셀에 반투명 페로브스카이트 모듈을 올렸고 4-터미널 구성을 갖는다.



그들은 페로브스카이트 물질로 CsFAPbIBr을 사용해서 안정성을 향상시켰다. 페로브스카이트 모듈 단독 효율은 15.3%이다. 


또한 광학적 손실 최소화하기 위해 스택의 아키텍처를 최적화 했다. 탬덤 모듈의 상부에 반사 방지 텍스처를 추가했고 페로브스카이트 모듈과 Si 셀 사이에 굴절율 매칭 용액을 코팅했다. 

참고: https://www.imec-int.com/en/articles/imec-reports-record-conversion-efficiency-of-23-9-percent-on-a-4cm2-perovskite-silicon-solar-module