그래핀이 상/하부 전극에 모두 사용된 투명한 플렉서블 태양전지

MIT 연구자들은 활성층의 손상없이 HTL(hole transfer layer) 위에 그래핀 전극을 결합하는 새로운 기술을 개발했다. 

유기 태양전지는 투명할 수 있다. 많은 유기 물질은 태양광의 자외선과 근적외선을 흡수하지만 가시광을 투과시키기 때문이다. 

하지만 유기 태양전지가 플렉서블하기는 쉽지 않다. 가장 일반적인 투명 전극 ITO를 사용하면 투명 유기 태양전지를 만들 수 있지만 ITO는 딱딱하고 부서지기 쉽게 때문에 플렉서블 유기 태양전지를 만들기 어렵다.

유망한 대안은 그래핀이다. 그래핀은 원자 한층 두께의 탄소 시트이고 높은 전도성, 플렉서블, 견고하고, 투명한 특성을 가지고 있다. 게다가 그래핀 전극은 단지 1nm 두께일 수 있다.   

그래핀을 유기 태양전지의 상하부 전극으로 적용할때 극복해야할 2가지 사항이 있다. 첫째 HTL의 표면 위에 상부 전극으로서 그래핀을 붙이는 것이다. 둘째 상하부 전극이 서로 다른 역할을 하기 위해서는 그래핀의 일함수가 서로 달라야 한다. 그래핀의 일함수에 따라 전자가 어느 방향으로 갈지 결정되기 때문이다. 

그들은 상부 그래핀 전극을 위해 둥둥 떠 있는 그래핀/폴리머 스택을 도장의 낙인처럼 생각했다. 그들은 0.5mm 두께의 실리콘 고무틀로 스택을 눌렀다. 족집게로 고무틀을 집어 스택을 밖으로 꺼내 건조시킨 후 HTL 위에 놓았다. 최소한의 열로 실리콘 고무 도장과 폴리머 지지층을 벗겨내서 HTL위에 그래핀을 올라 앉게 했다.

처음에는 상부 그래핀 전극이 제대로 동작하지 않았다. 그래핀 층이 HTL에 단단하게 붙지 않아 전류가 효과적으로 흐리지 않았기 때문이다.

구조에 충분히 열을 가해 그래핀을 단단히 붙힐 수 있지만 민감한 유기 물질에 손상을 준다. 그리고 HTL 위에 그래핀을 놓기전에 그래핀 아래에 접착제를 바르는 것은 두 층을 서로 붙이는데는 좋지만 결국 두 층사이에 추가 층이 생겨 계면 컨택 특성을 저하시킨다.      

그들은 접착제를 그래핀 아래에 하나의 층으로서 코팅하지 않고 그래핀 위에 부드럽고 끈적끈적한 폴리머를 뿌려 문제점을 해결했다. 접착제가 HTL과 직접 컨택하지 않지만 그래핀이 매우 얇기 때문에 접착특성이 그래핀을 통해 그대로 유지될 수 있다. 

위 기술을 검증하기 위해 연구자들은 EVA(ethylene-vinylacetate)층을 그래핀의 바로 위에 결합시켰다. EVA층은 매우 플렉서블하고 얇아서 쉽게 찢어지지만 폴리머층과 잘 배열되었고 HTL에 단단히 붙었다.  

이 새로운 공정은 예상치 못한 이점을 낳았다. 그래핀과 HTL의 결합이 전극의 일함수가 그들이 필요로하는 일함수로 변했기 때문이다. 

그들은 그래핀 전극이 실제로 얼마나 잘 작동하지 알고 싶었다. 비교를 위해 그래핀, ITO, 그리고 Al으로 만들어진 전극과 딱딱한 유리 기판을 이용해서 일련의 유기 태양전지를 만들었다. 

새로운 플렉서블 그래핀/그래핀 소자와 ITO/그래핀 소자의 전류 밀도(CD, current density)와 효율(PCEs)은 비슷하지만 Al 전극이 적용된 소자에 비해 낮았다. 하부 전극으로서 Al 전극은 입사광을 태양전지로 다시 반사시켜 투명한 소자에 비해 태양 에너지를 더 많이 흡수할 수 있어 전류 밀도와 효율이 상대적으로 높다. 

딱딱한 유리 기판 뿐아니라 플렉서블 기판위에 그들이 만든 모든 그래핀/그래핀 소자의 효율은 2.8%~4.1% 범위였다. 효율이 상용 태양전지 패널에 비해 매우 낮지만 종전의 반투명 그래핀/그래핀 소자의 효율과 비교하면 큰 진전이다. 

그들의 그래핀/그래핀 유기 태양전지는 어떤 종류의 표면 위에도 만들질 수 있다. 이를 증명하기 위해 기판으로 플라스틱, 불투명 종이, 그리고 투명한 켑톤 테이프가 이용됐다. 소자의 성능은 3가지 플렉서블 기판에서 거의 같았다.     

현재 연구자들은그래핀 기반 유기 태양전지의 투명도를 희생시키지 않고 효율을 증가시키기 위해 연구하고 있다(활성층의 면적을 증가시키면 효율은 증가하지만 투명도은 떨어진다). 

그들의 계산에 의하면, 현재 수준의 투명도에서 이론적 최대 효율을 10%이다. 

참고:http://energy.mit.edu/news/transparent-flexible-solar-cells-combine-organic-materials-graphene-electrodes/

Forward Labs이 Tesla 보다 싸고 고생산성 솔라 루프를 선보이다

Forward Labs은 캘리포니아 Palo Alto에 있고 눈에 안 띄게 안 쪽에 있는 standing-seam 타입의 솔라 루프를 개발하는 신생기업이다. 

그들의 솔라 루프는 단순히 솔라 루프나 솔라 타일이 아니라 강화 유리 표면, 태양전지, 그리고 숨겨진 체결 시스템을 결합한 다층 시스템이다. 

태양전지 패널은 8 가지의 다른 색깔을 갖고 있다. 이것은 유리와 태양전지 사이에 있는“optical chromatic cloaking”층 덕택이다. 이 층은 상상할 수 있는 어떤 색의 솔라 루프를 만들 수 있으면서 태양전지의 효율을 높게 유지시킨다. 

솔라 루프는 일반 지붕 보다 싸야한다. 그들의 솔라 루프는 단결정 Si 태양전지를 이용하며 19W/sqft의 전력을 생산할 수 있는데 경쟁사인 Tesla의 솔라 루프(11W/sqft)에 비해 더 많은 전력을 생산하기 때문에 와트당 가격이 33%정도 싸다.   

Forward Labs은 2018년에 그들의 솔라 루프를 San Francisco 지역에 설치할 계획이다.  

참고: https://www.treehugger.com/solar-technology/forward-labs-solar-roof-promises-higher-production-lower-cost-teslas.html

염료 감응 태양전지는 실내광으로도 전자 기기를 작동시킬 수 있다

스위스, 중국 그리고 스웨덴 연구자들은 실내에서 끊임없이 넘쳐흐르는 저조도 광에서 전자 센서에 전력을 충분히 공급할 수 있는 연료 감응 태양전지(DSSCs)를 개발했다. 

실내 광은 거의 가시광으로 이루어져 있기 때문에 가시광을 거의 흡수하는 염료가 다른 태양전지의 흡수 물질 보다 더 효과를 발휘한다.  

DSSCs는 염료가 광을 흡수해서 전자를 내놓으면 반도체인 TiO2가 전자를 잡아 외부 전선으로 전류를 흐르게 하고 외부 전선이 전해질과 연결되어 있어서 전자가 전해질을 통해 연료 분자로 돌아오는 원리를 이용한 것이다. 

DSSCs는 염료와 TiO2를 용액 공정으로 만들 수 있기 때문에 싸고 플렉서블하게 만들 수 있다. 그리고 염료의 올바른 조합을 통해 광흡수 대역을 넓힐 수 있다. 

 그러나 DSSCs는 큰 관심을 끌지 못했다. 그 이유 중 하나는 염료 의 부피가 크고 탄소 기반 분자여서 반도체 만큼 전자를 잘 전도하지 못해 효율이 낮고 Si 태양전지 패널 가격이 놀라울 정도로 떨어져 가격 경쟁력이 줄었기 때문이다. 

하지만 연구자들은 DSSCs 기술을 포기 하지 않고 크고 작은 개선을 이루고 있다. 

전해질로서 Cu을 C-N 고리 우리안에 끼워 넣어 비싼 금속을 대체하는 동시에 부피가 큰 연료 분자와 잘 조합이 되게 했다. 이렇게하면 Cu가 TiO2 근처로 못가게 해서 회로가 단락되는 것을 막을 수 있다. 

염료는 2 종류(XY1, D35)를 사용했는데 두 염료 모두 부피가 꽤 크며 고리로 길게 이어져 있다. 긴 고리는 상단의 염료에서 TiO2와 접촉해 있는 하단의 염료로 전자를 나르기 위한 전도 경로를 제공한다. 하단 염료을 통한 전도 경로는 TiO2의 전도대의 에너지와 매칭된다.   

두 염료는 서로 다른 비율로 혼합되어 가시광 영역과 맞먹는 350nm에서 약 650nm 까지의 광을 효과적으로 흡수할 수 있도록 했다.  

태양광 아래에서는 새로운 태양저지는 특별할게 없다. 효율 11%가 약간 넘을 뿐이기 때문이다. 하지만 흡수된 포톤으로 전자를 추출할 수 있는 능력인 소자의 내부 양자 효율은 90%이상으로 꽤 괜찮다. 

그래서 이 소자를 맑은 날의 태양광의 세기의 1%도 안되는 실내광 아래에 놓았을때 효율은 거의 29%로 치솟았다. 이 효율은 우주용으로 쓰이는 GaAs 태양전지의 효율 20% 보다 더 높았다. 

새로운 태양전지는 200과 1000 lux의 방에서 각각 15.6과 88.5 mW/cm2의 출력을 냈다. 가장 최신 전자 기기를 작동시킬 수 없지만 작은 센서를 충분히 구동시킬 수 있다. 

참고: https://arstechnica.com/science/2017/05/dye-sensitized-photovoltaic-cells-can-power-small-electronics-indoors/

페로브스카이트 태양전지의 새로운 효율 갱신

UNSW의 Anita Ho-Baillie팀은 셀 면적 16 cm2의 페로브스카이트 태양전지에서 효율12%을 달성했다. 지금 까지 인증을 받은 단일 페로브스카이트 셀이다. 

1.2 cm2 면적의 단일 페로브스카이트 셀의 경우 효율은 18% 이고 4개 셀로 이루어진 페로브스카이트 미니 모듈(16 cm2)은 효율 11.5%이다. 

참고: http://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/trendy-solar-cells-hit-new-world-efficiency-record

Graded 밴드갭 페로브스카이트 태양전지가 효율 20% 이상 달성

UC Berkeley와 Berkeley Lab이 graded 밴드갭 구조를 디자인해서 Lab 효율 21.7%(반사 방지막 없이)을 달성했다.

graded 밴드갭 구조는 서로 다른 파장의 태양광을 흡수하도록 2개의 페로브스카이트 물질(CH3NH3SnI3, CH3NH3PbI3-xBrx)을 결합시킨 것이다. 이 새로운 샌드위치 아키텍처는 태양전지가 가시광의 거의 전 스펙트럼을 흡수하게 한다.

그들은 graded 밴드갭 구조를 만들기 위해 2개의 서로 다른 페로브스카이트 물질을 붙이고 그들 사이에  단층 hexagonal boron nitride(h-BN) 박막을 끼워 넣어 분리시켰다.

h-BN은 양이온 확산 베리어와 흡착 촉진제로 이용되었는데 이는 새로운 소자 제조에 있어서 거부감이 없고 물질 특성의 나노 제어가 가능케 한다

참고: http://www.solarnovus.com/graded-band-gap-perovskite-solar-cell-achieves-20-efficiency_N10500.html

매우 낮은 driving force을 갖는 고효율 유기 태양전지

LiU의 연구자들은 이전에 비해 매우 낮은 driving force와 빠른 전하 분리를 갖는 유기 태양전지를 개발했다. 

태양에 의해 방출된 포톤이 유기 반도체에 흡수되면 엑시톤이 생성된다. Driving force는 엑시톤을 자유 캐리어로 분리시키는데 필요한 에너지이며 도너/업셉터 물질의 밴드갭과 charge transfer(CT) state 에너지 사이의 오프셋으로 정의된다. Driving force는 결과적으로 광 전압의 저하를 낳는다. Driving force가 낮을 수록 광 전압은 증가한다. 

전통적인 고효율 유기 태양전지는 반도체 폴리머와 플러렌으로 알려진 탄소 공으로 이루어져 있다. 이 경우 driving force는 0.3 eV이다. 

연구자들은 플러렌을 반도체 저 분자 물질로 대체(도너와 업셉터간 에너지 오프셋 조절이 쉬움)하여 소자의 driving force(거의 에너지 밴드갭과 동일함)를 낮춰 0.61 V의 낮은 전압 손실에도 불구하고 Voc 1.11V인 셀 효율 9.5%을 시연했다. 또한 폴리머:저 분자 결합이 더 안정적이라는 것을 알았다.

(그림 1. a. P3TEA(도너)와 SF-PDI2(업셉터)의 화학 구조. b. blend A 기반 태양전지의 J-V 곡선. c. blend A 기반 태양전지의 EQE 곡선)

<작은 전압 손실의 원리>

Balance 이론에 기초한 태양전지의 전압 손실은 3인자에 기인할 수 있다. 
첫번째 인자는 Egap-qVocSQ이며 밴드갭 이상에서 흡수가 있을때 방사 재결합에 의한 전압 손실이다. 이손실은 모든 태양전지에서 피할수 없고 일반적으로 0.25~0.30eV이다. 
두번째 인자는 qΔVoc(rad,below gap)은 밴드갭 아래에서 흡수가 있을때 추가적인 방사 재결합에 의한 전압 손실이다. 무기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지는 무시할 수 있는 정도이지만 P3HT:PCBM 기반 OSC는 0.67V이다. OSCs의 경우 qΔVoc(rad,below gap)가 큰 이유는 CT state가 존재하여 밴드갭을 낮추기 때문이다. qΔVoc(rad,below gap)을 최소화하기 위해서는 singlet exciton과 CT state간의 에너지 차이를 최소화하는 것이다. P3TEA가 적용된 blend A의 경우 CT state에 의한 흡수가 없어 qΔVoc(rad,below gap)가 0.07V로 무기 태양전지의 값에 비길 만 하다. 
세번째 인자는 qΔVoc(non-rad)= -kT ln(EQEEL)이며 비방사 결합에 기인한다. 이 손실을 줄이기 위해서는 EQEEL을 최대화하는 것이다. Blend A의 경우, 상대적으로 높은 EQEEL보여 전압 손실이 0.26V로서 e-beam 성막된 페로브스카이트의 전압 손실과 비슷하다. 

참고: http://liu.se/forskning/forskningsnyheter/1.698103?l=en
Fast charge separation in a non-fullerene organic solar cell with a small driving force, Jing Liu, et al. Nature energy, 27 June 2016.

ANU가 페로브스카이트-Si 탠덤 태양전지 효율 24.5%을 기록하다

ANU(Australian National University)은 소량의 인듐을 전자 수송층에 첨가하는 새로운 제조 기술을 발표했다. 이 기술은 간단한 원 스텝 용액 기반 공정이다. 

그들은 인듐을 전자 수송층인 TiO2에 도핑하여 순수 TiO2 대비 전도도 증가와 적당한 일함수로 페로브스카이트/TiO2 계면의 밴드 얼라이먼트 향상을 통해 FF와 Voc를 증가시켰다.

ANU 연구자들은 최적화된 TiO2층을 사용하여 CH3NH3PbI 기반 셀과 Cs0.05FA0.83)0.95Pb(I0.83Br0.17)3 기반 셀에 대해 각각 정상-상태 효율 17.9%와 19.3%을 얻었다.

또한, 4 터미널 페로브스카이트-Si 탠덤 셀에서 정상-상태 효율 24.5%을 달성했다. 여기에 정상-상태 효율 16.6%을 갖는 반 투명 페로브스카이트 셀이 이용됐다. 

참고: http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201601768/full