2017년 10월 28일 토요일

그래핀이 페로브스카이트 태양전지 효율을 증가시키다

Florence 대학(이탈리아) 과학자들은 그래핀이 도핑된 다공성 TiO2(G+mTiO2)과 Li가 도핑된 그래핀 산화물(GO-Li) 계면층으로 이루어진 전자수송층(ETL)을 개발하여 페로브스카이트 셀의 캐리어 재결합과 결함 밀도를 감소시켰다. 

그래핀 산화물이 페로브스카이트 셀에 이미 많이 연구되었지만 본 연구에서와 같이 광학적 측정을 도입해서 셀 특성을 평가한 것은 처음이다.  

흡수 계수 분산을 이용한 광학적 측정은 감응층인 CH3NH3PbI3층 모폴로지를 두께를 따라 측정함으로써 G+mTiO2와 GO-Li로 이루어진 ETL 안에 임베디드된 CH3NH3PbI3가 매운 좋은 결정 품질을 가진다는 알 수 있었다.


참고: https://www.graphene-info.com/graphene-increase-efficiency-perovskite-solar-cells

2017년 10월 26일 목요일

페로브스카이트 태양전지 안정성 향상

페로브스카이트 태양전지는 수분 조건에서 쉽게 분해되어 안정성이 낮은 것이 상용화에 큰 걸림돌이다. 



UNIST와 KIRT 연구자들은 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시키기 위해 그래핀의 C을 F로 대체하여 C-F 결합을 만들어 “가장자리에 선택적으로 F가 기능화하는 그래핀 나노판”(edged-selectively fluorine functionalized graphene nano platelets(EFGnPs-F)을 만들었다. 이 나노판은 페로브스카이트 활성층 전부를 덮고 물의 진입을 막는 역할을 하고 금 전극을 대체하는 효과가 있다. 

C-F 결합에 의한 fluorocarbons은 테프론과 같이 초소수성 특성으로 잘 알려져 있어 수분 침투를 막을 수 있는 것이다. 

그들의 EFGnPs-F가 적용된 페로브스카이트 태양전지는 공기 중에 30일 이상 봉지없이 노출시켰을 때 초기 성능 대비 82%의 안정성을 보였다. 

참고: https://phys.org/news/2017-10-highly-stable-perovskite-solar-cells.html

나비 날개로 부터 태양전지 효율 향상

남아시아와 서남아시아가 원산지인“Common rose”나비의 검은 날개가 태양전지 효율 향상에 큰 영감을 줬다. 이 나비는 몇개의 붉고 하얀 반점에 대부분 검은색 날개를 갖고 있다. 날개는 매우 작은 구조로 덮혀 있고, 이 구조는 다양한 각도와 넓은 파장에 걸쳐 태양 에너지를 수확할 수 있게 해주어 높은 체온을 유지하게 하고 외관을 조절하는데 도움을 준다. 다양한 각도와 넓은 파장에 걸쳐 태양광을 흡수하는 것은 박막 태양전지에서도 필요하다. 

California Institute of Technology와 Karlsruhe Institute of Technology (KIT) 연구자들은 나비 날개에서 영감을 얻어 박막 태양전지의 효율 향상 연구를 했다. 

그들의 연구는 나비 날개의 비늘의 작은 구조를 이해하는데 초첨을 맞췄다. 이 구조의 크기는 나노에서 마이크로에 걸쳐있다. 예전에 과학자들은 이들 구조가 주기적이라고 생각했었는데 최근에 약간 무질서하다는 것이 밝혀졌다. 이 무질서는 넓은 각도와 넓은 파장에 걸쳐 광흡수하기에 더 좋다. 


  

우선 과학자들은 나비의 검은 날개를 주사전자현미경으로 세밀하게 관찰했다. Cross-rib으로 연결된 비늘의 길이 방향을 따라 주기적인 능선을 볼 수 있었다. 작은 구멍이 능선과 cross-rib 사이에 있고 크기는 램덤하다. 

나비 날개의 일부 영역은 좀 더 검은데 구멍의 밀도와 관련 있다는 것에 주목했다. 이것은 구멍의 밀도가 광 흡수 능력과 상관관계가 있다는 것을 뜻한다. 또한 낮은 구멍 밀도를 갖는 영역은 기계적 안정적에 더 큰 역할을 하는 것으로 들어났다. 구멍의 밀도는 효율적인 광흡수와 날개 구조를 지지하는 것 사이에 균형 잡기를 반영한다. 

다음 단계로 나노 구멍의 광흡수에 대한 영향을 조사하기 위해 3차원 모델을 만들었다. 평탄하고 패턴이 없는 구조와 검은 나비의 날개와 같은 구조로 각각 만들어진 동일 물질과 동일 부피의 두판을 고려했다. 

빛을 판에 비추었을 때 패턴된 판은 더 넓은 파장 영역에 걸쳐 상당히 많은 광을 흡수했다. 이는 빛의 파장이 어떻게 패턴의 크기와 상호작용하는지 보여 준다. 

두드러진 광흡수는 다단계 시스템에서 기인하다. 맨 먼저 빛이 나노구멍과 능선에 의해 모아지고 일부가 흡수된다. 그런 후 밑으로 통과된 모든 빛은 밑에 있는 물질의 층에 의해 흡수될 수 있는 두번째 기회를 얻는다. 

나비로 부터 배운것을 박막 흡수체에 적용하기 위해 연구자들은 태양전지에 일반적으로 사용 되는 물질로 4가지 나노구멍 배열을 시뮬레이션 했다. 

- 패턴안된 판(Reference)
- 모든 구멍이 균등하게 이격되어 있고 크기가 같은 주기적이고 정렬된 배열
- 모든 구멍이 균등하게 이격되어 있으나 크기 다른 주기적이고 요동 배열
- 검은 나비 비늘로 부터 얻은 영감으로 나노구멍의 위치와 크기 물질서가 상관관계 있게 결합된 배열

시뮬레이션 결과 모든 패턴된 판은 패턴되지 않은 판 보다 상당히 기능이 좋았고 나비로 부터 영감을 얻은 디자인은 넓은 파장과 넓은 입사각에 걸처 가장 기능이 좋았다. 

그들은 간단하고 확장성이 있는 기술인 a-Si:H을 이용하여 나비구조를 모사했다.


참고:http://physicscentral.com/buzz/blog/index.cfm?postid=2909922127547102123