유기 태양전지의 효율 증가를 위한 가이드

AIST의 연구자들은 유기 태양전지의 효율의 이론적 한계를 계산했다.

무기 태양전지와의 광흡수에 의한 전하 생성 메케니즘의 차이를 고려하여 유기 태양전지의 광전기 변환 효율의 이론적 한계를 계산했다. 

태양전지의 광전기 변환 효율은 반도체의 밴드갭, 열로 소실, 그리고 전하 재결합과 같은 인자에 의해 제한된다. 

밴드갭 보다 낮은 빛에너지는 흡수되지 않아 전기 생산에 기여하지 못하고 밴드갭 보다 큰 빛에너지는 열로 소실되어 전압이 감소한다. 

만약 광생성 전하가 전극에 도달하기 전에 재결합에 의해 손실이 일어난다면 전류는 떨어진다. 

이렇게 해서 무기 태양전지의 광전기 변화 효율의 이론적 한계가 약 30%라고 Shockley와 Queisser에 의해 1961년에 계산되었다.

유기 물질의 경우 광을 흡수하면 양전하와 음전하 사이의 강한 쿨롱 인력이 작용하여 엑시톤이라고 부르는 결합된 전자-홀 쌍이 생성된다.  

유기 물질에서 엑시톤의 쿨롱 결합 에너지는 상온의 열에너지의 보다 최소한 10배 큰 것으로 추산된다. 

단일 유기 물질 내에서는 엑시톤의 전하 분리가 불충분하기 때문에 유기 태양전지의 두 형태의 물질로 구성되어 있다: 양이온 띄려는 유기 물질과 음이온을 띄려는 유기 물질.  이들 물질 사이의 계면에서 엑시톤의 전하가 분리된다. 

(그림 1 : 유기 태양전지의 전하 분리 메케니즘의 도식도: 빛은 일반적으로 유기 양이온을 띄려는 분자(도너)에 의해 흡수되며 도너 안에 있는 전자는 엑시톤을 형성한다. 그런 다음 전하 분리가 일어난다. 결과로써, 도너는 양이온이 되고 업셉터는 음이온이 된다. 이 과정에서 전자는 전하 분리(∆EDA)에 필요한 과잉 에너지를 잃는다.)

이번 연구는 유기 태양전지에서 전하 분리를 위해 필요한 과잉 에너지(excess energy)의 존재에 맞쳐져있다. 

Shockley와 Queisser 이론에서의 과잉 에너지는 전하 재결합률을 증가시켜 전압과 전류를 떨어뜨린다는 것을 보여준다. 하지만 과잉 에너지는 유기 태양전지에서 다른 역할을 한다. 

결합된 양전하와 음전하 사이의 거리가 1 nm이고 유기 물질의 유전상수가 3.5일 때 쿨롱 상호작용을 이용하면 전하 분리를 위한 과잉 에너지는 0.3~0.4 eV로 계산된다. 

(그림 2 : 전하 분리를 위한 과잉 에너지가 0.4 eV일 때 다중접합과 단일접합 유기 태양전지이 광전기 변환 효율의 이론적 한계와 흡수 가능한 빛에너지의 최소값(광흡수단, optical absorption edge) 사이의 관계. 적색선은 전통적인 단일 접합 무기 태양전지의 이론적 한계를 나타낸다.)

전하 분리를 위한 과잉 에너지가 0.4 eV일 때 유기 태양전지의 효율 한계는 21%이다. 

유기 태양전지를 가장 높은 효율로 끌어 올리는 흡수광의 파장은 827 nm(1.5  eV)로 계산되었다. 이것은 광을 흡수하는 도너 유기 물질을 선택할 때 가이드를 제공한다.  

유기 태양전지의 이론적 효율 한계 21%은 현재의 효율 10~12% 보다 높기 때문에 유기 물질 선택과 구조 최적화를 통해 유기 태양전지의 효율은 향상 될 여지는 충분히 있다.  

참고: http://phys.org/news/2014-03-efficiency-solar-cells.html

플러렌 없이 유기 태양전지에서 8.4% 변환효율을 얻다

Imec의 연구자들은 2가지 혁신을 통해 8.4% 효율의 유기 태양전지(organic photovoltaic, OPV)를 만들었다.

첫번째로 플러렌이 아닌 업셉터 물질을 사용해서 높은 개방 전압과 가시광에서 효과적인 광흡수를 얻었다. 

두번째로는 높은 Jsc를 상호보완적인 흡수 스펙트럼을 가지면서 효율적인 엑시톤 수확이 일어나는 3종류의 활성 반도체층으로 이루어진 다층 소자 구조로부터 얻었다.

플러렌은 현재의 OPV셀에서 널리 사용되고 있는 업셉터 물질인데 그 이유는 전자를 받을 수 있는 능력과 높은 전자 이동도 때문이다. 

하지만 플러렌 업셉터는 태양광 스펙트럼과 흡수 스펙트럼의 겹침이 적어 광전류 생성이 제한적이고 전자 전도를 위한 에너지 준위가 깊어 Voc를 제한한다. 

OPV셀의 효율을 증가시키기 위해 여러개의 광 활성 물질의 엑시톤 수확을 결합하는 복잡한 텐덤 아키텍처가 종종 제안되고 있다.  

(그림 1: 에너지 이동 중간층이 있는 3층 소자 아키텍처. (a) 활성 물질의 분자 구조. (b) 소자 아키텍처의 도식도. (c) 2 단계 엑시톤 분리 메케니즘을 설명하는 활성층의 에너지-준위 다이아그램)

Imec 팀은 태양광 파장별 반응 범위를 향상시키기 위해 간단한 3층 스택을 제안했다. 이 소자 아키텍처는 플러렌이 아닌 두 업셉터와 하나의 도너로 구성되어 있고 불연속한 이종접합으로 배열되어 있다. 

중앙에 있는 도너와 업셉터 사이의 계면에서의 전통적인 엑시톤 분리에 더해서 외곽의 밴드갭이 큰 업셉터 층에서 생성된 엑시톤이 원거리 Forster 에너지 이동에 의해 중앙에 있는 밴드갭이 작은 업셉터으로 가는 것이 지연되고 나중에 도너 계면에서 엑시톤 분리가 일어난다. 

이것은 400nm와 720nm 사이에서 양자효율을 75%이상 낳았고 Voc는 1V에 가깝고 전력 변환 효율 8.4%을 얻었다.  

참고: http://phys.org/news/2014-03-percent-conversion-efficiency-fullerene-free-solar.html

투명한 칼라 태양전지가 에너지와 미(beauty)을 가지다

시스루(see-through) 태양전지가 Michigan 대학에서 만들어졌다. 이 셀은 최초의 반투명 칼라 태양전지이라고 믿고 있는데 옥외 광고판과 창문 블라인드로 응용될 수 있다. 

(그림 1⎜소자 구조와 광학 특성. (a) 제안된 구조의 구성도. 이 구조는 캐소드, 애노드, 그리고 아주 얇은 핑안된 a-Si으로 구성되어 있다. 캐소드는 유전체-금속-유전체와 유기층으로 이루어져 있고 애노드는 유전체-금속-유전체로만 이루어져 있다. 아주 얇은 a-Si 층의 두께는 6, 11, 그리고 13 nm이고 각각 청색, 녹색, 그리고 적색에 대응한다. (b) 수직 입사된 청색, 녹색, 그리고 적색광 각각에 대한 계산된 것과 측정된 투과 스펙트럼. (c) 청색, 녹색, 그리고 적색으로 제조된 소자의 사진)

(그림 3 C ⎜AM1.5 조도하에서 하이브리드 셀의 전류 밀도-전압 특성)

연구자들은 적색, 녹색, 그리고 청색의 반투명 a-Si/유기 하이브리드 태양전지를 만들었다. 특히 녹색 소자는 거의 2%의 효율을 나타냈다. 

반투명 칼라 태양전지는 미와 출력 사이에 상충점이 있다. 전기 변환에 쓰이는 태양광의 파장 일부를 그냥 셀을 투과시키거나 반사시켜야 하기 때문이다. 

그들의 칼라 태양전지는 투과 이미지를 흐릿하게하는 염료나 마이크로 구조에 의존하지 않고 특정한 광 파장을 투과시키기 위해 역학적인 구조를 이용했다. 서로 다른 색깔을 얻기 위해 그들은 도핑 안된 a-Si 층의 두께를 변화시켰다. 청색 영역은 6 nm 두께이고 적색 영역은 31 nm 두께이다. 

도핑 안된 매우 얇은 a-Si층 내에서는 전자-홀 재결합을 억제하기 때문에 그 막내에 흡수된 포톤은 추출된 전하에 기여한다.

하이브리드 태양전지의 구조는 금속 산화물+유기 전하 수송층+도핑 안된 a-Si으로 이루어져 있다. 이렇게하면 뚜렷이 다른 색깔이 resonant optical transmission에 의해 만들어 질 수 있다. a-Si층을 통해 광이 전파해 나갈 때 누적된 위상 변화가 a-Si 계면에서 반사에 의한 위상 변이에 비해 상대적으로 작기 때문에 입사광의 입사각도와 편광에 둔감한 색깔을 얻을 수 있다.

참고: http://ns.umich.edu/new/multimedia/videos/22020-transparent-color-solar-cells-fuse-energy-beauty

페로브스카이트로 태양광 발전을 두드리다

페로브스카이트 태양전지는 단지 지난 일년 반동안 집중적으로 연구되었다. 

연구자들은 전기 출력을 더 높이기 위해 페르보스카이트의 화학 조성을 짜 맞추고 공정 방법과 셀 안정성을 향상시키고 왜 이 태양전지가 예상외로 성능이 좋은지를 이해함으로써 셀의 매력을 재빨리 높혔다.  

페로보스카이트이라는 이름은 오래전 발견된 광물인  CaTiO3으로 부터 왔다. 오늘날 과학자들은 이 용어를 CaTiO3와 같이 ABX3의 화학양론을 보이고 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질 전체를 부르는데 사용한다. 

요즘 태양전지를 뒤흔드는 페로브스카이트는 유기 금속인 trihalide인데 가장 일반적으로 연구되고 있는 것은 CH3NH3PbI3이다. 

고순도의 결정질 Si 태양전지는 약 25%의 효율에 도달하지만 그런 성능을 내기 위한 비용이 많이 들어간다. 유기 태양전지의 경우는 싸게 만들 수 있지만 효율이 약 11% 정도로 낮다. 

(광은 투명 전극(청색)을 통해 감광성의 페로브스카이트 물질(적색)으로 들어가서 전자-홀 쌍을 만든다. 전하 입자 분리와 확산이 전하 전도층을 통해 각 전극으로 일어난다.)

그에 반해, 페로브스카이트 태양전지는 특히 2012~2013 동안 발전에 발전을 거듭하여 현재 16%보다 높은 효율을 나타낸다. 이 태양전지는 저가격과 우수한 성능을 동시에 보이며 특히 저가격은 싼 재료와 공정 비용이 낮기 때문이다. 

페로브스카이트 태양전지는 일반적인 습식 기술을 사용하여 만들 수 있는데  액체상 화학적 반응과 스프레이와 스핀 코팅과 같은 물질 코팅 방법을 통해 간단하게 만들 수 있어 결국 크린룸과 복잡한 제조 장비를 간단한 benchtop 공정으로 바꿀 수 있다. 

페로브스카이트 태양전지는 DSSCs(dye-sensitized solar cells)와 많은 공통점을 갖고 있다. 그리고 DSSCs는 양자점 태양전지와 밀접한 관계가 있다. 이들 3 태양전지에서 큰 차이점은 광흡수체의 본성이다; trihalide, 염료, 무기 양자점.

DSSCs의 결점 중 하나는 염료가 코팅되어 있는 TiO2 막의 두께인데 효과적으로 광전기변환을 하기 위해서는 수 um 두께가 필요하기 때문에 플렉서블 소자로 만들기에는 쉽지 않다.

Robert P.H.Chang(Northwestern 대학) 교수는 페로브스카이트 기반 태양전지는 다른 형태의 태양전지에 비해 더 앏고 더 쉽게 그리고 잠재적으로 더 싸게 만들수 있다는 것을 알았다.

이들 특성의 몇몇은 Tsutomu Miyasaka(Toin 대학)와 그의 동료들이 밝혀냈다. TiO2 막을 CH3NH3I와 PbI2이 들어 있는 용액으로 처리함으로써 그들은 TiO2를 CH3NH3PbI3 나노결정의 층으로 코팅하는 자기 조립 공정을 개발했다. 유기 전해질 용액과 함께 페로브스카이트가 코팅된 TiO2 막을 전도성 유리 전극 사이에 샌드위치시켜 triiodide 셀을 만들었는데 효율이 3.8% 였다.

이 성능은 그다지 대단하지 않은데 Nam-Gyu Park(성균관대)팀은 TiO2 막 표면의 본성과 페로브스카이트 나노결정 크기를 최적화함으로써 triiodide 셀의 효율 6.5%을 달성했다.

하지만 이 셀 성능은 다 만들어진 소자에 남아 있는 전해질 용액에 의존하는데 전해질 용액은 셀의 수명을 극단적으로 단축시키기 때문이다.

일반적인 이 물질은 홀 전도체인 iodide/triiodide(I-/I3-) 산화환원쌍인데 부식성과 휘발성이 강해 재빨리 trihalide 페로브스카이트를 분해시킨다.

그래서 부식성이 없는 고체 전해질이 필요했고 spiro-OMeTAD로 알려진 spirobifluorene 족에 있은 홀을 전도하는 polyaromatic 링(ring) 화합물을 찾았다.

Park과 Gratzel은 고체 spiro-OMeTAD/triiodide 페로브스카이트 셀을 만들었고 더 향상된 안정성과 효율 9.7%을 달성했다.

Snaith와 Miyasaka은 spiro-OMeTAD/혼합된 halide 페로브스카이트(CH3NH3PbI2Cl) 셀을 만들었다. 그들은 TiO2 대신 절연체인 Al2O3로 대체했을 때  놀랍게도 효율 10.9%을 달성했다. 그들은 Al2O3가 고표면적 발판의 역할을 할 뿐아니라 고품질의 페로브스카이트층의 형성을 이끌어 낸다고 제안했다. 결과적으로 페로브스카이트 결정은 전자를 매우 효과적으로 수집하고 수송시킬 수 있다.

또한 비슷한 시기에 Chang과 Mercouri G. Kanatzidis는 페로브스카이트 물질(F가 도핑된 CsSnI3)을 홀 전도 물질로써 효율 10.2%의 고체 태양전지를 성공적으로 만들었다.

2013년에 들어서는 KRICT의 연구자들이 polytriarylamine을 홀 전도체로 사용해서 12%의 페로브스카이트 태양전지를 만들었다.

Saskatchewan 대학의 Dianyi Liu와 Timothy L. Kelly는 고온 공정이 필요한 TiO2 대신 상당히 얇은 ZnO층으로 교체해서 효율 10%가 넘는 플렉서블한 trihalide 페로브스카이트 태양전지를 만들 수 있었다.

지금까지 페로브스카이트 태양전지의 최고 효율은 KRICT에서 나왔는데 16.2%이다.

참고: http://cen.acs.org/articles/92/i8/Tapping-Solar-Power-Perovskites.html

비정질 Si 박막 태양전지 광열화(LID, light-induced degradation)의 미시적 메커니즘에 있어서 새로운 통찰력

HZB(Helmholtz Center Berlin)의 연구자들은 비정질 Si 기반 박막 태양전지에서 발생하는 원치 않은 효과를 깊이 이해하는데 크게 기여했다. 

그들은 Si 네트워크 내에 작은 공동(void)이 태양전지를 작동시키자마자 효율을 10~15% 정도 떨어뜨리는데 어느 정도 원인이 있다는 것을 보여줬다.  

Si 박막 태양전지의 주요한 장점은 밀리미터의 천분의 1의 두께보다 얇은 Si 막을 유리 기판에 코팅한다는 것과 상용의 결정질 Si 태양전지에 비해 셀 제조가 상당히 간단하고 저비용이라는 것이다. 

반면, 잠재적인 단점은 낮은 광전기변환 효율인데 그 원인은 비정질 Si의 무질서한 본성이 처음 동작 후 1000 시간 내에 태양전지의 효율을 15% 까지 떨어뜨리기 때문이다. 이런 현상을 Staebler-Wronski effect라고 한다. 

이 원치 않은 효과는 태양전지 셀 밖으로 뽑아내지지 못한 전하의 재결합에 의해 유발된다. 

재결합시 발생한 에너지가 비정질 네트워크 내에 결합을 유발시키는데 결함이 물질내에 어디서 생성되는지와 나노크기의 공동이 광열화에 어떤 역할을 하는지 이해하지 못하고 있었다. 

형성된 결함은 상자성 특성을 보이기 때문에 미시적인 주위 환경에 의존하는 특유의 자기 지문을 갖고 있다.  

연구자들은 EPR(electron-paramagnetic resonance) 분광기와 ESE(electron-spin echo) 실험을 이용해서  이 지문의 정체를 밝혀냈다. 

비정질 Si 내의 결함은 실제로 2 형태에서 온다: 작은 동공의 내면(internal surface)위에 있는 균일하게 분포되어 있는 결함과 클러스터 형태로 집중되어 있는 결함이다. 마이크로 동공은 태양전지 제조 과정 중에 물질내에 형성된다. 

그들은 결함의 클러스터는 단지 1~2 nm 크기의 나노 동공의 내부벽 위에 생성된다고 생각하고 있다. 

http://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=13915;sprache=en;typoid=3228

와이드 밴드갭 표면 재결합 배리어를 채용한 고효율 나노기둥 태양전지

반도체 나노기둥은 평면 이키텍처에 대한 광 흡수를 최대로 하면서 활성 물질의 양을 줄일 수 있는 실행 가능한 해결책이다. 

주기적이고 수직으로 나란한 나노기둥 어레이에서, 입사광은 파장 보다 작은 구조와 상호작용하여 공진 트래핑(resonant trapping)이 일어나는데 이 현상은 광 흡수를 증가 시킨다. 

나노기둥은 어레이 내에서 광을 안내하고 또한 광이 바깥으로 반사되어 나가기 전에 어레이 내에서 몇번 되튀김으로써 광을 재활용하여 광 흡수의 기회를 더 준다. 

이 효과는 나노기둥이 전체 셀 표면적의 단지 5~15%의 상당히 낮은 밀도에서도 얻을 수 있다. 

(그림 1. 나노기둥 기반 차세대 태양전지. (a) 정방형 격자의 반복으로 배열되어 있는 나노기둥의 일반적인 주기적 어레이. 각 나노기둥은 1.5 um 높이와 200 nm 지름을 갖는다. 이 어레이는 비싸지 않은 리소그래피 기술로 4인치 웨이퍼 크기로 확대 될 수 있다. (b) finite-different time-domain 시뮬레이션을 이용해서 계산된 파장에 따른 광흡수. 광흡수는 인접한 나노기둥 사이의 거리를 변화시킴으로써 극대화될 수 있다. (c) 주기적 구조 내에 있는 적산 태양광 스펙트럼의 optical power flux. 나노기둥 영역에서 optical power는 최대가 되고 태양전지의 광전류 출력을 증가시킨다. (d) 외이드 밴드갭 in situ 패시베이션이 있고 없고에 의한 나노기둥 태양전지 소자의 외부양자효율.)

그림 1(a)는 금속-유기 화학 증착으로 자란 일반적인 나노기둥 어레이를 보여준다. 이 방법은 공기와 태양전지 셀 사이에 점진적인 굴절율(graded effective refractive index)을 만드는데 결과적으로 광흡수를 향상시킨다. 

광흡수 특성에 대한 어레이 피치 튜닝 효과는 그림 1(b)와 (c)에 묘사되어 있다. 

나노기둥 기반 태양전지를 이용하는데 있어서 장점은 기하학 구조를 바꿈으로써 접합이 엔지니어링될 수 있다는 것이다. 

통상의 태양전지에 사용되는 평면 접합은 두께, 농도, 그리고 도핑된 층의 물질과 관련된 특성을 갖는다. 

연구자들은 접합 기하학 구조를 지름 또는 축 방향으로 튜닝했다. 접합 구조가 지름 방향일 경우, 입사광(수직 방향)을 캐리어 추출(지름 방향)과 분리할 수 있는 장점이 있다.   

접합 구조가 축방향일 때는 접합 면적이 나노기둥의 단면으로 제한 되기 때문에 특히 암전류 밀도를 줄일 수 있어 Voc가 커진다. 

연구자들은 표면 준위(surface state)에 의해 발생하는 재결합 과정을 자세히 들여다 보고 있는데 P(phosphorous) 기반 와이드 밴드갭 반도체 나노기둥 어레이를 태양전지 셀과 결합해서 암전류를 pA 아래로 상당히 줄였다. 결과적으로 Voc는 0.92 V이상으로 증가했다. 

이 셀 디자인에서 소수 캐리어의 수명은 나노기둥 측면을 쒸우는(capping) 와이드 밴드갭 표면 배리어에 의존한다. 나노기둥 표면을 와이드 밴드갭 반도체의 얇은 원자층으로 엔지니어링하는 것은 소자의 최종 광전기적 거동에 dangling bond와 표면 전하 효과를 완화하는데 필수적이다. 

참고: http://spie.org/x106126.xml?highlight=x2400&ArticleID=x106126

페로브스카이트 태양전지 생산 공정을 향상시키다

UCLA의 과학자들이 페로브스카이트 태양전지를 위한 새로운 제조 공정을 개발했다. 

그들은 methyl ammonium halide(유기물)와 lead halide(무기물)의 하이브리드인 페로브스카이트 결정에 집중했다. 

지금까지는, 엔지니어들은 페로브스카이트 막을 만들기 위해 일반적으로 유기와 무기 재료를 포함하는 용액을 이용하던가 아니면 두 구성물을 함께 진공 챔버 내에서 열증착하는 방법을 사용했다. 하지만 이 두 방법은 양산에는 적합하지 않다. 

UCLA 팀의 새로운 접근은 vapor-assisted 용액 공정이다. 이 공정은 무기 성분으로 기판을 코팅한 후 섭씨 150도의  유기 분자 스팀 욕조에서 후처리 한다. 유기 물질이 무기 물질 속으로 스며들어가서 서로 빠르게 반응하여 밀하고 균일한 페로보스카이트 막이 형성된다.

이렇게 해서 만들어진 페롭스카이트 태양전지의 효율은 12.1% 였다.

페로브스카이트 물질은 제대로 봉지되지 않으면 수분을 빨아들이는 경향이 있고 납이 구성 성분이기 때문에 환경적인 우려가 있다. 

참고: http://dailyfusion.net/2014/02/scientists-improve-perovskite-solar-cell-production-process-26419/