가까운 시일에 투명한 태양광 발전 창문이 고층 건물의 전력의 60 ~80%을 제공할것이다

Oxford PV는 Si, CIGS 태양전지 또는 유리에 바로 프린트할 수 있는 박막 페로브스카이트 태양전지를 상용화를 진행하고 있다.

이것은 태양전지 패널과 BIPV 시스템  모두의 미관, 성능 그리고 비용에서 패러다임 전환을 이끌것이다.

Oxford PV는 단일 접합 페로브스카이트 태양전지는 효율 25%을, 탠덤 페로브스카이트/페로브스카이트 태양전지는 효율 30%을 몇년 내에 달성할 것으로 기대하고 있다.

효율 20% 반투명 페로브스카이트 태양전지가 35층 오피스 건물의 창문에 적용될 경우 그 건물 전력의 60% 뽑을 수 있다.

참고: http://nextbigfuture.com/2015/05/near-term-transparent-solar-power.html?m=1

태양광 발전의 찬성과 반대

과도한 탄소 배출에 의한 증가된 기후 변화 위협이 많은 나라로 하여금 전통적인 화석 연료를 대체하기 위한 청정 에너지를 찾게 하고 있다.

태양광 발전 에너지는 대체 청정 에너지 중에 비싼 편이다.

⦿찬성

-지속 가능하다(무공무진한 태양 에너지 이용)
-환경 충격이 낮다(발전 중 온실 가스 배출이 없다)
-에너지 독립 가능하다(전력망에 연결할 필요가 없다)

⦿반대

-간간이 발전이 중단된다(밤과 흐린 날에는 발전할 수 없다; 저가의 적절한 에너지 저장 시스템이 필요하다)
-넓은 토지 이용해야 한다(태양광 발전소인 경우 상당한 양의 땅을 차지하고 토지 황폐화 또는 야생 동물의 서식지 감소 야기)
-재료가 부족하다 (일부 태양전지에 희토류 사용. 재활용 및 대체재 개발 필요)

참고: http://www.investopedia.com/articles/investing/053015/pros-and-cons-solar-energy.asp

블랙 실리콘 태양전지가 효율 갱신을 하다

블랙 실리콘 기술은 실리콘 웨이퍼 맨 꼭대기에 나노 크기의 바늘을 형성시키는 것인데 더 넓은 태양광 스펙트럼(단파장, 300~500 nm)을 포획하고 심지어 저입사각 광 에너지를 이용할 수 있다는 것이 증명되고 있다.

블랙 실리콘의 높은 광흡수는 입사광의 파장 보다 작은 크기의 나노 구조를 이용하여 Si과 공기 계면에서의 굴절률을 점진적으로 매칭시킴으로써 얻는다.

 하지만, 블랙 실리콘은 나노구조의 증가된 표면적에 의한 표면 재결합 증가로 인해 이 이득은 실험실에서만 한정적이다.

블랙 실리콘을 만드는 방법은 laser texturization, plasma immersion ion implantation, metal- assisted wet etching, 그리고 cryogenic deep reactive ion etching(DRIE)이 있다. DRIE는 여러 장점이 있다. 공정이 빠르고 싸고, 결정 배향 의존성이 없고 마스크 층이 필요없다.

(그림 1 ⎜블랙 실리콘의 구조와 반사율. a, 블랙 실리콘의 SEM 이미지. 실리콘 기둥의 일반적인 높이는 ~800 nm이고 바닥 부분의 직경은 ~200 nm이다. 밝게 빛나 보이는 20 nm Al2O3 층이 실리콘 기둥 위에 코팅되어 있다. b, 반사 스펙트럼. 파선은 블랙 실리콘 자체의 반사 스펙트럼이고 검은 실선은 20 nm Al2O3가 코팅된 블랙 실리콘의 반사 스펙트럼이다. 점선은 90 nm Al2O3 가 코팅된 램덤 피라미드의 반사 스펙트럼이다.)

최근 Aalto university와 Universitat Politecnica de Catalunya의 연구자들은 DRIE 방법으로 블랙 실리콘을 만들어 효율 22.1%로 블랙 실리콘 태양전지(p-type Si, 셀 면적 9 cm2)의 효율 갱신을 했고 Fraunhofer ISE CalLab으로 부터 인증을 받았다.  이 성능은 나노 구조에 ALD 증착 pin-hole-free conformal Al2O3 페시베이션 막을 적용하고 back contact 셀 구조와 통합하여 달성되었다. 특히 Al2O3 막은 우수한 화학적과 전기적 페시베이션을 제공했다.

300 nm 파장에서 외부 양자 효율 96%은 표면 재결합이 더 이상 문제가 되지 않는다는 것을 보여준다. 

(그림 5: 입사각 의존 EQE와 일일/연간 전력 생산 증가. a, 입사각에 따른 b-Si 셀의 EQE. b, 수직 입사 대비 상대 광전류. c, 최적 경사 각도에서 위도 함수로서 Ref. 셀 대비  b-Si 셀의 연간 전력의 상대적인 증가. d, 다른 위치에서(60º Helsinki, 40º Barcelona) 1년에 걸친 일일 전력의 상대 증가)

블랙 실리콘의 저입사각의 태양 복사를 포획하는 능력으로 인해 전통적인 셀에 비해 하루 동안 전기를 더 많이 생산할 수 있다.

이것은 특히 1년의 대부분이 저입사각의 태양 빛이 빛이는 북반구에서 유리하데 겨울철 Helsinki에서 데모 했을 때 동일 효율의 전통적인 셀에 비해 3% 더 전력을 만들어 냈다.

연구자들은 블랙 실리콘 기술을 이용하면 전통적인 반사 방지 코팅이 필요 없기 때문에 제조 비용을 줄일 것으로 기대 하고 있다.

참고: http://phys.org/news/2015-06-solar-cells-energy.html, Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency, Hele Savin, et al., Nature nanotechnology, published online: 18 May 2015 ⎜DOI: 10.1038/NNANO.2015.89

페로브스카이트 태양전지 제조에 빛을 비추다

KRICT 과학자들은 페로브스카이트 광흡수체를 만들기 위한 새로운 제조방법(분자 교환)을 찾아냈고 최대 가능 효율 20.2%의 셀을 만들었다. 

최근 페로브스카이트 태양전지의 효율은 20% 까지 증가했지만 실제 사용 기간 동안 안정성을 유지할 수 있는지에 대한 의구심이 많다.  

KRICT 연구자들은 효율이 높고 가격 경쟁력 모두를 만족하는 페로브스카이트 태양전지 제조 기술을 고안했다. 

그들은 lead(2) iodide dimethylsulfoxide(DMSO)막을 formamidinium iodide(FAI) 용액에 넣었다. FAI가 DMSO 보다 lead iodide에 대한 친화력이 더 크기 때문에 FAI는 formamidinium lead iodide 페로브스카이트 구조를 형성하기 위해 격내 내에서 DMSO을 치환한다. 

이렇게 하면 기존 methylammonium lead iodide 보다 더 넓은 범위의 태양광 스펙트럼을 흡수하는 잠재력을 갖는다. 

참고: http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/05/research-shines-light-perovskite-solar-cell-manufacturing

Gratzel이 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 증명하다

Dyesol사(호주)는 Gratzel 그룹이 1000시간의 light soaking과 2000 시간 이상의80~85도 온도하에서 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 확보했다고 발표했다. 

게다가, Gratzel 그룹은 실제 조건(뜨거운 사막)에서 페로브스카이트 태양전지의 내구성을 증명했다. 

MAPbI3 페로브스카이트 태양전지의 상업화 있어서 주요 장애물은 검증된 안정성이 부족하다는 것이다. MAPbI3은 외부 환경에서 특히 수분과 대기와 고유의 친화성이 있어서 열화가 일어난다.

이를 해결하기 위해 그들은 Dyesol사의 상용화를 위한 페로브스카이트 태양전지의 아키텍처를 이용했다. 이 아키텍처는 탄소를 후면 접촉으로 채용한 홀 전도체가 없는 3 층 아키텍처이고 활성 물질은 페로브스카이트, TiO2, 그리고 ZrO2이다. 

참고: http://www.novuslight.com/gratzel-demonstrates-perovskite-stability_N4129.html

페로브스카이트 내의 결함을 식별하다.

(화학적 처리 후 향상된 전자 소자용 페로브스카이트 물질 품질)

Washington 대학과 Oxford 대학의 연구자들이 고출력 영상 기술을 이용해서 페로브스카이트 태양전지에서 전류 흐름을 제한하는 결함을 식별했다. 

이 기술은 생물학에서 사용되는 공초점(confocal) 광학 현미경 기술을 기반으로 한다. 

그들은 형광 이미지와 전자 현미경 이미지 사이의 상관관계로 부터 페로브스카이트 물질의 결정의 교차점에 있는 검은 색으로 나타나는 성능이 불량한 영역을 식별했다. 이 기술은 효율 증가와 물질의 안정성과 균일성을 향상시킬 것으로 기대된다. 

또한 그들은 간단한 화학적 처리가 불량 부분의 일부를 정상으로 되는 것을 관찰했다.

참고: http://www.azom.com/news.aspx?newsID=43758

새로운 기술이 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 도움을 주다

페로브스키이트 태양전지의 기존 제조 방법은 전구체 화학 물질을 용액으로 용해시켜 기판에 코팅한 후, 열처리를 통해 용액을 제거하고 기판에 페로브스카이트 결정 막을 남긴다. 

이 방법은 센티미터 크기의 막 균열을 일으킨다. 이를 해결하기 위해 용액의 열처리 온도를 100~150도에서 하지만 불균일한 결정이 형성될 수 있어 막 내에 작은 핀홀이 생성될 우려가 있다. 이 핀홀은 효율을 저하시킨다.  

Brown University 연구자들은 열-기반 페로브스카이트 태양전지 제조에 관한 이슈를 해결하기 위해 “solvent-solvent extraction(SSE)” 방법을 개발했다. 

이 방법은 페로브스카이트 전구체를 NMP 용매에 용해시키고 이것을 기판에 스핀 코팅한다. 여기 까지는 기존 기술과 동일하다. 

기판을 열처리를 하지 않고 페로브스카이트 전구체가 코팅된 기판을 두 번째 용매인 DDE(diethyl ether)에 담군다. DDE 용매는 NMP 용매를 제거하고 페로브스카이트 막의 빠른 결정화를 시키는 역할을 한다. 이렇게 해서 매우 매끄럽고 균일한 막이 만들어진다. 

열-기반 방법은 페로브스카이트 막을 형성하기 위해 최소한 1시간이 걸리지만 SSE 방법은 단지 2분이 걸리며 열-기반 방법의 300 nm 두께의 비해 SSE 방법은 핀홀이 없는 20 nm 두께의 매우 얇은 막을 만들 수 있다. 

SSE 방법으로 기존 방법에 비해 최대 수 센티미터 넓이의 더 큰 셀을 만들 수 있으며 열처리가 필요없기 때문에 열에 민감한 폴리머 기판을 사용할 수 있다. 

또한, 매우 얇은 막을 만들 수 있기 때문에 부분적으로 투명한 막을 만들어 창문에 사용될 수 있고 색깔이 있는 셀을 만들기 쉽다.

SSE 증착 CH3NH3PBI3 박막의 평면 페로브스카이트 태양전지의 효율은 최대 15.2%이고 특히 100 nm 이하 두께의 반투명 페로브스카이트 태양전지의 평균 효율은 10.1%이다.  

참고: http://www.gizmag.com/perovskite-solar-cells-method/37264/