플러렌 소자가 태양전지와 인버터 모두 역할한다

다국적 팀이 자기 전극과 C60 플러렌의 결합을 이용하여 태양전지를 개발했다. 이 태양전지는 일반적인 재료와 구조를 이용한 것에 비해 효율이 14% 높았다. 

그들은 ITO와 Al 전극 대신 자기 전극(코발트와 니켈-철)을 사용했다. 자기 전극은 특정 방향의 스핀 전자를 제공하여 스핀 분극 전류가 생성시키는 역할을 한다. 

이 자기 전극을 태양전지에 적용하기 위해 연구자들은 광전기 효과와 스핀 수송 효과 모두 가지는 소자를 만들어야 했다. 즉 전자가 소자를 가로지를 때 스핀 방향을 유지해야 한다는 것이다. 

그들은 소자를 만들던 중 인버터 기능을 추가적으로 개발했다. 외부 자기장을 변화시켜 전류 방향을 바꾼 것이다.(※인버터는 태양전지에 의해 생성된 직류 전류를 교류 전류로 변환 시키는 기능을 한다.)  

그들의 소자의 전류는 2가지 소스로 부터 생성된다: 하나는 빛에 의한 것이고 다른 하나는 자기 전극으로 부터 온다.   

빛에 의해 생성된 전류는 빛의 양에 의해, 자기 전극으로 부터 온 전류는 자기장에 의해 바뀔 수 있다. 양쪽 기여에 대해 균형을 맞추는 것은 전체 전류의 흐름 방향을 바꿀 수 있다는 것을 의미한다. 

이 소자의 기능에 있어서 핵심은 C60 플러렌이다. C60은 광전기 물질인 동시에 전자 캐리어의 스핀 편극을 유지할 수 있다. 

소자에서 실제 전류 출력은 상당히 적었는데 C60이 광전기 물질로서 우수하지 않기 때문이다. 

참고: http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/solar-cell-and-a-current-inverter-combined-into-one-device

HTM에 폴리스티렌 마이크로겔 입자를 분산시켜 페로브스카이트 태양전지 안정성을 향상시키다

맨체스터 대학은 절연체인 폴리스티렌(polystyrene) 마이크로겔 입자(MGs, microgel particles)를 HTM(hole transport materials)에 분산시켜 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 개선시켰다. 

페로브스카이트 태양전지(PSCs, perovskite solar cells)에서 페로브스카이트 층은 본질적으로는 불안정하지 않지만 HTM 물질은 그렇지 않다. HTM 박막은 밀집된(congregated) 폴리머로 만들어지며 HTM은 상대적으로 비싸다. 

그들은 여러 종류의 HTM(PTAA(poly(triaryl amine), P3HT(poly(3-hexhlthiophene), Spiro-MeOTAD(Spiro))에 소수성인 폴리스티렌 마이크로겔 입자를 분산시켜 HTM 상(phase)을 바꾸었다.  

혼합된 HTM/MGs 분산액은 바로 페로브스카이트 층위에 스핀코팅되었다. 

PTAA와 P3HT의 경우, MGs와 합성되었때 막은 기계적으로 견고했지만, Spiro의 경우 상대적으로 작은 Spiro 분자가 얽히기가 어려워 막에 크랙이 발생했다. 

PTAA-MG(~35 vol%)와 P3HT-MG(~35 vol%) 적용된 PSCs는 컨트롤 PSCs에 비해 효율이 단지 ~20% 감소했다. 

이번 연구에서 예상치 못한 발견은 MGs가 PTAA 매트릭스내에 잘 분산되어 CH3NH3PbI3-xClx 형광 퀜칭을 강하게 돕는다는 것이다. 

또한, P3HT-MG PSCs는 컨트롤 PSCs에 비해 Voc가 ~170mV 증가했다. 

그들은 P3HT 기반 PSCs를 MGs로 봉지하면 안정성이 높아진다는 것도 알았다. 

참고: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/nr/c7nr02650a#!divAbstract

Imec이 4cm2 페로브스카이트/Si 4-터미널 탠덤 태양전지 효율 23.8% 발표

Imec이 4cm2 페로브스카이트/Si 4-터미널 탠덤 태양전지 모듈로 효율 23.9%을 발표했다. 탠덤 구조는 IBC c-Si 셀에 반투명 페로브스카이트 모듈을 올렸고 4-터미널 구성을 갖는다.

그들은 페로브스카이트 물질로 CsFAPbIBr을 사용해서 안정성을 향상시켰다. 페로브스카이트 모듈 단독 효율은 15.3%이다. 

또한 광학적 손실 최소화하기 위해 스택의 아키텍처를 최적화 했다. 탬덤 모듈의 상부에 반사 방지 텍스처를 추가했고 페로브스카이트 모듈과 Si 셀 사이에 굴절율 매칭 용액을 코팅했다. 

참고: https://www.imec-int.com/en/articles/imec-reports-record-conversion-efficiency-of-23-9-percent-on-a-4cm2-perovskite-silicon-solar-module

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