새로운 폴리머 물질로 태양전지 출력 향상시키기

고효율 태양전지를 위한 과제 중 하나는 흡수된 빛 에너지 일부가 열로 소실되는 것을 최소화하는 것이다. 그래서 과학자들은 그러한 에너지를 유용한 전기로 변환시킬 수 있는 물질을 디자인하려하고 있다. 

Brookhaven National Laboratory (Upton, NY)와 Columbia 대학이 이와 관련된 연구를 수행했다. 

그들은 고분자의 짝을 만들어 포톤당 2개의 전하 캐리어를 생성시켜 소실될 에너지 일부를 복원했다.

(그림 1: Singlet fission이 가능한 분자와 폴리머 물질을 위한 템플릿 디자인) 

그들은 어떻게 multiple exciton generation (MEG)가 단분자 폴리머 체인에서 효과적으로 일어나는지 보여준다. 

동일 분자에서 2개의 전하를 갖는다는 것은 광을 흡수하고 에너지를 생산하는 물질이 여분의 전하를 생산하기 위해 완벽한 결정으로 배열될 필요가 없다는 것을 의미한다. 

대신, self-contained 물질이 액체에 용해되어 있을때 효과적으로 작동한다. 이는 산업 규모의 제조 공정을 가능하게 한다.  

포톤 하나 당 2개의 전하를 생산하는 개념은 singlet fission이라고 한다. 

단일 접합 태양전지의 이론 효율은 34%이다. Singlet fission을 이용한다고 하더라도 이론 효율의 2배를 넘을 수 없는데 그 이유는 singlet fission 물질이 실질적인 전류-생산 소자와 결합되어야 하기 때문이다. 

지금까지 연구된 대부분의 singlet fission 물질에서는 쌍둥이 전하 캐리어가 분리된 분자에서 생성되었다. 이것은 물질이 long-range order를 갖는 결정 필름일때만 잘 작동하는데 강한 커플링이 이웃 분자에 추가 전하를 생성시킨다.  

고품질의 결정 필름을 태양전지 제조에 접목하는 것은 공정을 복잡하게 한다. 반면 단일 폴리머 분자(강한 intrachain 도너-업셉터 상호작용을 하는)에서 쌍둥이 전하를 생산하는 것은 산업 공정에 훨씬 더 양립할 수 있는 물질을 만들 수 있게한다. 

그들은 시간 분해 광학 분광기로 단일 레이저 포톤을 이용해서 다양한 폴리머에 대해 singlet fission을 유도하고 정량화했다. 레이저 펄스를 물질에 쏘아서 일련의 약한 광 펄스를 통해 어떤 일이 일어나는지 조사했다. 

참고: http://www.plasticstoday.com/articles/Improving-solar-cell-output-with-new-polymer-material-150217

singlet fission이 태양전지 효율을 30% 만큼 증가시킬 수 있다

현재의 태양전지가 하나의 포톤을 받으면 하나의 exciton을 생성되고 그 뒤에 하나의 전자-홀쌍으로 분리된다. 이 태양전지의 효율은 Shockley-Queisser 한계에 의해 약 32%으로 제한된다. 

하나의 포톤이 흡수되면 그 에너지는 물질내에서 exciton의 형태를 띈다. Exciton은 전자 스핀에 의해 2가지로 나뉜다; 모든 전자 스핀이 쌍을 이루고 있으면 singlet라고 하고 전자 스핀이 쌍으로 이루어져 있지 않으면 triplet라고 한다. 유기 태양전지에서는 이 두 종류의 exciton은 서로 다른 에너지를 갖는다. 

만약 triplet exciton 에너지가 singlet exciton 에너지의 반이라면 하나의 포톤에 의해 생성된 하나의 singlet exciton은 2개의 triplet exciton으로 분리되는 것이 가능하다. 

광을 흡수하기 위해서는 포톤 에너지는 반도체의 밴드갭 보다 커야 한다. 만약 밴드갭 보다 큰 에너지의 포톤이 흡수되면 초과 에너지는 보통 열로 버려진다. 비결은 고에너지의 exciton의 일부가 열로 소실되기 전에 2개의 exciton으로 분리시키는 것이다. 

Singlet exciton은 자발적으로 서브 ns 동안 2개의 triplet exciton으로 분리된다고 한다.  

참고: http://ucrtoday.ucr.edu/23698

태양전지로 부터 더 많은 전기 얻기

햇빛이 현재의 태양전지에 비춰지면 입사 에너지의 많은 양이 전류보다 열로 소실된다. 하지만 몇몇 물질은 여분의 에너지가 여분의 전자를 생산한다. 

MIT팀은 이제 그 현상이 일어나는 메커니즘을 명확히했고, 고효율 태양전지를 만들기 위해 특별한 물질을 이용하기 위한 디자인 가이드를 제시했다. 

대부분의 태양전지 물질에서는 하나의 포톤이 분자를 여기시킬 에너지를 전달하여 전자 하나를 방출한다. 하지만 분자를 여기시키고도 남을 고에너지 포톤일 때도 여전히 전자 하나 밖에 방출하지 못한다. 

몇몇 유기 분자는 위 규칙을 따르지 않고 고에너지 포톤당 1개 이상의 전자를 발생시킨다. 이 현상을 singlet exciton fission이라고 한다. 

exciton fission은 지금 다양한 물질에서 우연히 발견되고 있다. 

그들은 4가지 exciton fission 분자 샘플을 제작했는데 그 샘플들은 “spinach의 다양한 종류로 장식됐다. spinach는 분자의 화학적과 물리적 특성 변화없이 분자의 간격을 변화시키는 덩치가 큰 원자의 측면 그룹이다. 

그들은 4 가지 샘플에 대해 fission rate을 성공적으로 예측했다. 

더우기, 그들은 1960년대의 제안된 고전 메커니즘을  다시 한번 확인했다: 여분의 에너지가 exciton fission 분자에 주어지면 여기 분자의 전자는 여기되지 않은 인근의 분자의 전자와 위치를 교환한다. 여기서 여기 전자가 떠날 때 뒤에 약간의 에너지를 남겨 두어 두 분자 모두 전자를 방출한다. 

연구원들은 분자 패킹이 fission rate에 매우 중요하다는 것을 보여준다. 분자들이 서로 가까이에 있다면 전자가 매우 빨리 움직일 수 있어서 분자들 전자를 주고 받는 것을 조정할 시간이 없다.

정말 중요한 인자는 올바른 고유의 에너지 준위를 갖는 물질을 고르는 것이다.  

참고: http://newsoffice.mit.edu/2014/getting-more-electricity-out-solar-cells-0507

태양광 전력에 생산에 청색광의 특별함

태양광 전력은 사실 너무 낭비적이다. 하지만 화석 연료와 같은 뜻의 낭비적 의미는 아니다.

청색광과 그 근처 광은 가장 높은 포톤 에너지를 가지고 있지만 그들의 포톤 수는 적외선의 것에 비해 적다.

한편 적외선 광은 태양전지에 충돌할 수 있는 더 많은 포톤의 수를 가지고 있지만 청색광 포톤에 비해 낮은 에너지를 갖고 있다.

만약 태양전지가 적외선광만 수집한다면 문제는 밴드갭을 초과하는 어떤 에너지라도 매우 빨리 열로 바뀐다. 청색광을 받으면 단지 낭비적인 열로 되는 것이다.

위 내용이 뜻하는 것은 가장 높은 에너지인 청색광은 현재의 태양전지가 가치 있게 수확을 할 수 없어 대부분의 태양전지에 사용되지 못하고 있다는 것이다.

(그림 1. TIPS(bis(triisopropylsilylethynyl)-pentacene의 개요.  a, TIPS-pentacene(TP) 용액에서 singlet fission의 매케니즘을 위한 도식도.  하나의 singlet-excited 분자와 하나의 바닥 상태의 분자가 excimer을 생성시키위한 rate-limiting 단계에 관여하고 있다. 이 중간적인 상태는 2개의 triplet으로 붕괴된다. 청색 화살표는 상호작용을 뜻하고 적색 화살표는 광학적 전이(transition)을 나타내고 점선 화살표는 비방사 붕괴를 뜻한다. b, TIPS-pentacene의 구조.  c, chloroform에 용해되어 있는 경우와 스핀 코팅된 TIPS-pentacene의 바닥상태 흡수 스펙트럼.)  

Canbridge 연구자들은 위 문제를 풀 수 있는 가능한 방법을 고안 했다.

그들의 해결책은 singlet exciton fission을 이용하는 것이다. singlet exciton fission은 스핀 보존 과정인데 하나의 광여기 singlet 상태로 부터 2개의 triplet 여기 상태를 만든다.

근본적으로 이것은 양자 특성인 스핀을 이용해서 단일 포톤의 에너지를 쪼개 2개의 입자를 만드는 방법이다. 이것은 두 입자사이의 순간적인 전하 공유로 인해 단지 pico초 동안에 전류가 2배로 되는 것을 뜻한다. 하지만 전체 전력을 증가시키기에는 이 시간은 충분히 길다.

더우기 여기에 소개된 이 방법은 기존 태양전지 기술을 완전히 새롭게 설계할 필요는 없다.

참고: http://motherboard.vice.com/blog/how-to-double-the-output-of-current-solar-cells-for-cheap