무독성 양자점 연구가 태양전지를 향상시키다

( 그림 1 ⎮ 콜로이드 QD(quantum dot) 태양전지의 동작 원리 (a) 전형적인 박막 p-n 접합 QD 태양전지의 도식도( PbS QD은 자주색 원이고 접촉은 나타내지 않았다);  소수 캐리어가 전극에 도달하기 위한 긴 이동 거리로 인한 높은 재결합 손실이 QD층의 두께를 궁극적으로 제한한다. ( b) QDSSC(quantum dot sensitized solar cell) 아키텍처의 도식도(CISeS 양자점은 붉은 삼각형이고 접촉은 빠져 있다). 이 구조는 QD에서 QD로 캐리어 수송을 완벽하게 피할 수 있다. 그리고 더 완벽한 광 흡수으로 부터 이득이 있다. (c)밴드 구조 도식도와 광변환 과정의  다양한 단계의 서술이 있는   QDSSC 광애노 드의 SEM 단면 이미지 (1) 태양광 흡수에 의해 여기 전자와 홀 생성, (2) TiO2로 전자 이동(electron transfer, ET), (3) TiO2 내에서 전자 drift에 뒤따른 전자 확산 (4) 전해질내에 있는 다황화물로 홀 이동, (5) CuxS 전극에 의한 홀 수집)


저가격의 Cu 기반 양자점으로 만들어진 양자점 감응 태양전지가 전례 없는 장수명과 효율 5%이상을 나타냈다. 이 결과는 열전자(hot-electron) 추출과 캐리어 증폭에 의해 가능했다. 

양자점으로 용액 공정으로 만들어진 CuInSexS2-x을 이용했는데 표면 결함으로 부터 전하 캐리어 손실을 줄이고 태양광 스펙트럼의 거의 완벽한 흡수를 위해 엄밀히 최적화되었다.

메탄올 기반의 다황화물(polysulfide) 전해질을 이용했는데 특히 광전류와 직렬 저항 감소에 큰 기여를 했다. 메탄올의 높은 증기압에도 불구하고 태양전지는 외부 환경하에서 몇 달간 안정적이었다. 

참고: http://www.nanowerk.com/nanotechnology_news/newsid=33636.php

시간이 지남에 따라 유기 태양전지의 효율 저하 이유

유기 태양전지는 언젠가는 싸고 더 효율이 높은 태양전지가 되어 화석 연료와 경쟁이 가능하리라 생각된다.

또한 물리적으로 플렉서블 하기 때문에 많은 다양한 표면에 붙일 수 있어 태양 에너지 수집의 새로운 형태를 만들어 낼것이다.

하지만, 유기 태양전지는 광전기변환 효율이 낮고 특히 작동됨에 따라 효율은 감소한다.

다양한 분야에 사용될 수 있는 유망한 태양전지이지만 고작 동작한지 7시간 만에 성능의 25%가 떨어진다.

Technical University of Munich는 셀 내의 핵심층이 광을 흡수하고 전자를 풀어줄때 그 구조가 확장되고 간격이 넓어진다는 것을 알았다.

X 선 측정으로 부터 광활성 도메인의 지름이 70 에서 80 nm 이상 17% 증가했다. 동시에 도메인 사이의 평균 거리는 319 nm 에서 약 370 nm로 19% 증가했다.

이것은 동작 중에 작은 도메인은 영구히 더 큰 것으로 사라진다는 것을 의미한다. 비록 도메인이 커지지만 도메인은 서로에게서 물러나기 때문에 전체 활성층의 면적은 줄어든다.

이런 사실로 부터 그들은 핵심층은 최적의 크기를 고려하여 만들어져야 한다는 것을 알았다.

또한 다른 물질을 첨가함으로써 광활층 면적의 변화를 줄이거나 제어할 수 있는 방법을 찾고 있다.

참고: http://gigaom.com/2013/12/09/scientists-have-figured-out-why-low-cost-organic-solar-cells-lose-their-efficiency-over-time/

석탄이 그래핀 양자점을 많이 만들어내다

서로 다른 종류의 석탄에서 서로 다른 크기의 그래핀을 얻는 것이 가능하다.

석탄의 성분을 다순화하면 지방족(aliphatic) 비정질 탄소에 의해 연결된 결함이 있는 나노 크기의 결정질 탄소 도메인이다. 

Rice 대학의 연구자들은 3 종류의 석탄을 윈자 두께의 산화그래핀인 2~20 nm 크기의 디스크 형태의 그래핀 양자점(graphene quantum dots, GQDs) 으로 환원시키는 간단한 방법을 찾아냈다.

밴드갭은 반도체 물질이 어떻게 전류를 나르는지를 결정한다. 양자점의 경우 밴드갭은 물질의 형광(fluorescence)을 결정하는데 밴드갭은 양자점의 크기를 바뀌면 튜닝가능하다.

GQD를 만드는 방법이 많이 있지만 대부분의 방법은 비싸고 매우 적은 양의 GQD 밖에 얻지 못한다. 하지만 Rice 대학은 석탄으로 부터 화학적 원스텝으로 많은 양(20% 수율) 의 GQD을 심지어 싸게 얻을 수 있다는 것을 알았다.

그들은 매우 간단한 산화 과정을 진행했다. 석탄을 으스러뜨려 산용액에 담궈 아주 작은 그래핀 도메인들의 결합을 끊었다.

석탄 구조 내의 결정질 탄소는 순수한 sp2 탄소 구조가 사용되었을때 보다 더 쉽게 산화되면서 떨어져 나가 결과적으로 나노 크기의 가장자리에 비정질 탄소가 붙어 있는 GQD을 생성시킨다.

서로 다른 종류의 석탄은 서로 다른 종류의 양자점을 만들어 낸다는 것이 밝혀졌다. CQD는 역청탄(bituminous coal), 무연탄(anthracite) 그리고 코크스(coke)으로 부터 얻어진다.

석탄은 질산과 황산에 각각 초음파 처리되고 24 시간 동안 가열되었다. 역청탄과 코크스는 각각 2~4 nm와 4~8 nm의 GQD을 만들어 내고 무연탄은 18~40 nm 크기의 적층 구조를 만들어 낸다. 이 GQD는 물에 녹으며 무독성이다.

참고: http://m.phys.org/news/2013-12-coal-yields-plenty-graphene-quantum.html

EPEL 과학자들이 태양전지와 안테나를 결합시켰다

EPEL(Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne)의 과학자들은 태양전지에 안테나를 결합하여 콤팩트하고 더 가벼운 인공위성을 만들 수 있게 했다. 이 기술은 자율 안테나에도 적용 가능하다. 

전통적으로 안테나와 태양전지는 서로의 간섭을 피해야 하기 때문에  결코 같이는 정말 서로 잘 동작하지 않는다. 그래서 두 소자를 위한 각각의 표면적이 필요하기 때문에 인공위성의 크기와 무게가 늘어 날 수 밖에 없다. 

그들은 이를 해결하기 위해 안테나와 태양전지 셀 모두가 놓일 수 있는 혼합 표면(mixed surface)을 개발했다. 

연구자들은 소위 반사 어레이(reflective array, RA)를 이용했다. 이 RA는 평평하고 상대적으로 싸고 매우 효율적인 장점이 있다. 이들 안테나는 박막 비정질 Si 태양전지와 결합된다.

RA 안테나는 원하는 방향으로 전파를 반사시키기 위해 살계된 다수의 여진 소자(driven element)가 평평 표면 앞에 박혀 있는 지향성 안테나(directive antennas)의 한 종류다. 

전파는 VHF 주파수가 주로 사용된다.

반사 어레이 안테나는 평평한 전면에 보통 같은 위상이 주어져 있는 다수의 동일한 여진 소자를 가지고 있어 전파를 한방향으로 보내게 하여 안테나 이득(gain)을 증가시키고  원치 않은 방향으로 전파가 반사되는 것을 줄여준다.

각개 원소는 비록 비여진 소자 뿐아니라 여진 소자를 포함하고 있는 가장 흔한 반파장 쌍극자(half wave dipole)이다.

반사체는 금속 시트 또는 더 흔하게는 와이어 스크린이 될 수 있다. 

이들 안테나는 박막 Si 태양전지와 결합되는데 전도체(공명기, resonator)의 세트가 태양전지의 윗부분에 놓인다. 이 겹쳐 놓은 층은 박막 Si태양전지의 원래 효율의 90%까지 유지하는 것을 가능하게 한다. 

이 소자는 2가지 서로 다른 형태의 안테나를 포함하고 있는데 하나는 Cu 전도체인데 빛을 태양전지 셀로 들어가는 것을 차단하지만 매우 높은 안테나 효율을 보장한다. 또 하나의 전도체는 투명전극인데 태양전지의 효율을 우선적으로 보장한다. 

참고: http://www.solarfeeds.com/epfl-scientists-combine-solar-panels-antennas/?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+solarfeed+%28Solar+Feeds%29

"cold" 포톤을 달궈서 태양전지 효율 한계를 높이다

저가의 고효율 태양전지를 위한 탐구는 근본적인 것과 기술적인 한계에 직면하게 된다. 이 중 근본적인 것은 1) 물질의 밴드갭 에너지 보다 낮은 에너지의 포톤을 사용할 수 없는 것과 2) 물질의 밴드갭 에너지 보다 높은 에너지의 포톤 흡수에 의해 발생하는 전하 캐리어의 열중성화(thermalization) 3) 광에 의해 생성된 전하 캐리어의 재결합이 야기하는 손실이다. 

MIT의 과학자들은 전기적 up-conversion과 열광전지(thermophotovoltaic, TPV)의 변환 과정을 결합한 thermal up-conversion을 이용하여 저에너지의 포톤을 활용하면 Shockley-Queisser 한계를 넘어설 수 있다고 말한다. 

그들의 태양전지는 단일 접합 태양전지와 thermal up-converter을 결합한 하이브리드 형태이다. 

광활성 물질의 밴드갭 보다 낮은 에너지의 포톤이 up-converter에 의해 흡수되면 열이 발생되고 그 열이 더 높은 에너지의 포톤을 생성시켜 태양전지 셀 쪽을 보낸다. 

이 과정이 가능하려면 up-converter의 전면과 후면 모두 각도와 주파수 선택 이미턴스(emittance) 특성이 세심하게 설계되어야 한다. 

그들은 비집광하에서 이 하이브리드 소자의 최대 효율이 73%에 도달 할 수 있다고 한다. 

높은 up-conversion 효율에 도달하려면 up-converter 온도를 올릴 필요가 있다. 그 온도는 현실적으로 달성 할 수 있는 900 ~ 1600K 이다. 

http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=33568.php

칼라 플라스틱이 태양전지 출력을 두배로 향상시킨다

염료가 코팅된 얇은 플라스틱이 고효율 플렉서블 태양전지의 가격을 낮출 수 있다.

Illinois 대학의 연구자들은 염료가 코팅된 플라스틱을 이용해서 GaAs 태양전지에 태양광을 모우고 집광 시켜 출력을 2배로 향상시켰다.

지금까지는 연구자들은 단일 접합 태양전지에서 관련 연구을 했지만 수많은 작은 태양전지 에레이가 점점이 박혀있는 플라스틱 시트를 만들려는 계획을 하고 있다.

이 접근은 광활성 물질로 표면을 완벽하게 코팅함으로써 얻을 수 있는 효율을 가지면서 가격을 낮춘다.

광이 플라스틱 시트를 때리면 특별히 선택된 염료가 광을 흡수하고 염료는 발광한다. 염료에 의해 방출된 광은 플라스틱 시트 내부에서 대체로 갖힌다. 그래서 광은 태양전지 셀에 도달할 때까지 플라스틱 내부에서 튀겨진다. 이것은 광이 광섬유 케이블 내부을 따라 안내되는 것과 거의 똑같다.

염료는 단지 태양광 스펙트럼의 한부분만 흡수한다. 따라서 좀 더 출력을 증가시키 위해 연구자들은 염료가 흡수 못하는 광의 일부를 태양전지로 보내주는 반사 물질을 첨가했다.

그들은 염료가 코팅된 플라스틱은 얇고 가볍고 다른 각도에서 들어오는 광을 흡수할 수 있어 플라스틱 태양전지로 사용에 적합하다고 한다.

참고: http://www.technologyreview.com/news/522156/colored-plastic-doubles-solar-cell-power/

Imac이 ALD-Al2O3으로 부터 iPERC 태양전지 제조 공정을 단순화시켰다

Imec은 local Al 후면전계(back surface field, BSF)와 전면 접촉을 위한 Ni/Cu 도금을 형성하기 위해 ALD(atomic layer deposited) 증착된 얇은 Al2O3으로 부터 레이저 도핑에 기반한 p형Cz-Si 위에 156×156 mm2 크기의 iPERC 태양전지를 개발했다.

이 셀은 평균 20.2%의 효율 보였다.

새로운 레이저 도핑 공정 시퀀스는 local i-PERC 태양전지에서 BSF 소성 공정을 없애는데 전면 접촉을 위한 Ni/Cu 도금 시퀀스와 결합해서 i-PERC 셀을 위한 저온 금속화에 대한 해법을 제시한다.

고온 공정을 피함으로써 후면 Al2O3 층의 패시베이션 저하 뿐아니라 후면 유전체/금속 층의 광학적 저하가 방지된다.

성능적인 이득에 더해서 새로운 공정 시퀀스는 매우 단순한데 그 이유는 얇은 ALD Al2O3가 동시에 패시베이션 층과 도핑 소스 역할을 하고 레이저 공정은 한번에 접촉 패터닝과 국소 BSF 형성을 가능하게 하기 때문이다.

단지 낮은 온도에서 어닐링 했는데도 셀의 80% 이상의 FF는 훌륭한 접촉을 암시한다.

그들은 산업에너 새로운 기술을 채용하기 위해 가격 경쟁력과 공정 단순화가 핵심 요소라고 말한다.

참고: http://www.photonicsonline.com/doc/imec-simplifies-i-perc-solar-cell-processing-by-implementing-laser-0001