2018년 1월 14일 일요일

솔라 윈도우가 전통적인 창을 진화시키다

최근 NREL 그룹이 솔라 윈도우 효율 향상에 상당한 돌파구를 마련했다. 그들이 개발한 솔라 윈도우를 SwitchGlaze라고 부른다. 

그들은 열변색을, 온도 변화에 의해 색이 변화는 물질의 특성, 이용하여 투명 유리를 착색시키고 난 후 착색된 유리에서 태양광을 전기로 변환시켰다.  

그들은 페로브스카이트와 단일벽 탄소 나노튜브를 이용했으며, 변색은 소자에 흡수되는 CH2NH3 분자에 의해 구현된다. 태양광이 소자를 달구면, 분자는 쫓겨 나가고, 소자는 어두워진다. 태양이 빛나지 않으면, 소자는 다시 식고, 분자는 윈도우 소자에 흡수되고 윈도우는 투명해진다.



솔라 윈도는 뭔가 새롭고 흥미 진지한 것을 시장에 제공할 것 같았지만 수 십년간 별 주목을 받지 못했다. 초기 시도는 완전히 불투명한 상용 태양전지를 윈도우와 차양에 결합하는 것이었다. 그 다음은 박막 태양전지 기술 개발로 인해 반투명한 디자인 뒤따랐다. 마지막 기술은 완전히 투명하고 적외선을 흡수하는 디자인인다. 

NREL의 솔라 윈도우가 독특한 이유는 다음과 같다. 

1. 일반 유리처럼 보인다. 
SwitchGlaze 윈도우는 윈도우를 통과한 태양광의 일부를 흡수하고 전기로 변환시킨다. 윈도우는 태양전지로서 역할을 하고 현대 건축 디자인에 유연한 청정 에너지 솔루션을 제공한다. 

2. 온도 변화에 의해 스위칭된다.
SwitchGlaze 솔라 윈도우는 온도가 따뜻한 온도일때, 특히 태양이 빛나는 뜨거운 날일때, 착색되도록 디자인되어 있다. 착색 상태가 되면, SwitchGlaze 윈도우는 상용 지붕형 태양전지 패널이 하는 것 처럼 태양광을 흡수하고 전기로 변환시킨다. 

3. 온도변색이다. 
SwitchGlaze 윈도우는 온도 촉발 열변색 착색을 이용한다. 이것은 태양광의 부분적 흡수를 가능케하여 윈도우가 효율 좋은 태양전지가 되게 한다. 효율은 11.3%이고 상용 지붕형 태양전지의 효율은 대충 20%이다. 

4. 가격 경쟁력이 좋다.
SwitchGlaze 태양전지 층을 일반 윈도우에 부착하는 비용은 크지 않을 것으로 예상하고 솔라 에너지를 통한 자금 회수에 의해 상쇄될 것이다. 일반 지붕형 태양전지 패널의 경우  패널을 인캡슐하는 유리와 투명 금속으로 인해 비싸다.

5. 진화중인 기술이다. 
빌딩 디자인은 끊임없이 정적에서 동적으로 진화하고 있다. 동적인 기술은 빌딩 효율 향상과 현장 에너지를 제공하기 위해 태양광을 이용한다. 


참고: https://www.nrel.gov/news/press/2017/nrel-develops-switchable-solar-window.html

2018년 1월 12일 금요일

Cascade 유기 태양전지의 기록적인 전압 손실 감소

유기 태양전지(Organic Solar Cells, OSCs)의 반투명 특성은 빌딩의 스마트 창으로 응용을 가능케 한다. 이는 자발적인 에너지 생산 빌딩 구축에 효과적인다. 

일반적인 OSCs는 전자 도너와 전자 업셉터 역할을 하는, 상용 p-n 접합 태양전지와 대략 동등한, 2개의 강한 광활성 물질인 구성되어 있다. 

  OSCs가 광을 흡수하면 전자와 홀의 결합 쌍인 exiton이 생성되고, 도너와 업셉터 사이 계면에서 자유 전하 캐리어가 분리된다.

현재까지 OSCs의 효율은 13% 정도인데 상용 Si 태양전지에 비해 한참 모자란다. OSCs 효율 제한에 가장 큰 인자는 흡수된 포톤 에너지와 전압 사이의 변환이 나쁜 것에 관계가 있다. 

태양전지는 태양전지의 광학 밴드갭 보다 큰 에너지를 갖는 포톤을 일반적으로 흡수하고, 이상적으로는, 흡수된 포톤 에너지는 개방 전압으로 완전히 변환된다; 개방 전압은 소자로 부터 뽑아낼 수 있는 최대 전압이다. 하지만 이는 열역학적으로 불가능하고 과도한 자유 전하 캐리어 재결합에 의해 Voc를 훨씬 낮은 값으로 떨어뜨린다. 

OSCs는 높은 전하 캐리어 재결합비로 인해 Eg와 Voc 사이의 오프셋은 0.8~0.9V로 높다. 이 심한 전압 손실은 OSCs 효율을 30~40% 감소시킨다.   

TU Dresden의 연구자들이 OSCs 소자 아키텍처를 엔지니어링하여 자유 전하 캐리어 재결합을 현저히 감소시켰다.

그들의 OSCs 아키텍처는 도너와 업셉터 사이에 제3의 물질을 끼워 넣어 cascade 구조를 만든 것인데, 두 물질 사이의 계면의 물리적 컨텍을 줄여 자유 전하 캐리어 재결합을 줄일 수 있었다. 

아이디어는 간단하다: 전하가 발생하는 도너와 업셉터 계면은 태양전지 내에 있고, 광생성 자유 전하 캐리어가 만나고 재결합이 동시에 있을 수 있다. 따라서 계면을 감소하면 재결합 확률 또한 줄어들 것이다. 

연구자들은 일련의 중간층 물질, 제 3의 물질, 을 조사했고, Voc와 PCE가 증가하는 것을 시연했다. Cascade OSC를 위해 저분자 유기 분자 alpa-sexithiophene, chloroboron subnaphtalocyanie, 그리고 chloroboron subphtalocyanine을 광활성 물질로 적용하여 Voc를 0.98V에서 1.16V로 0.18V 증가시켰다. 이 인상적인 향상은 비방사 재결합의 감소에 기인하고 전기발광의 양자 효율이 상당히 향상된 것을 암시한다. 

더우기, 전압 최적화는 포톤-전자 변환 효율과 결합되어야 한다. 포톤-전자 변환 효율은 태양전지의 흡수 스텍트럼 에지의 고전류 기여 포톤에 일때 79%로 높기 때문이다. 

평가된 태양전지의 전체 전압 손실은, Eg - Voc 오프셋, 0.58V로써 보고된 OSCs에서 가장 낮고 전하 분리를 위한 최소 driving force가 10mV 보다 낮다는 것을 알 수 있다. 

참고: https://sciencetrends.com/record-low-voltage-losses-efficient-cascade-organic-solar-cells/