최신 유기 태양전지: 재료, 매케니즘 그리고 모델링, 서론

유기 태양전지는 공액(conjugated) 고분자-플러렌 업셉터와 하이브리드 유기-무기 태양전지를 포함한다. 

유기 태양전지는 Si 기반 태양전지 소자 처럼 태양광을 흡수하면 바로 분리된 전자와 홀을 생성시키는 것이 아니라 결합된 전자와 홀의 쌍인 엑시톤을 생성시킨다. 그 이유는 유기 물질의 유전상수가 낮기 때문이다. 

엑시톤의 분리 과정은 도너와 업셉터 물질의 계면에서 일어난다. 두 물질은 전하 이동이 효과적으로 일어나도록 에너지 offset이 존재하도록 선택된다. 

도너와 업셉터 물질은 층으로 각각 코팅되거나 서로 혼합된 혼합물로 코팅될 수 있고 이 코팅층은 전자와 홀이 각 전극쪽으로 횡단할 수 있도록 연속적인 경로를 제공해야 한다.   

전하 캐리어의 확산 방향은 두 금속 접촉의 일함수의 차이에 의해 영향을 받으며 차단층(blocking layer)의 도입으로 훨씬 더 최적화 될 수 있다. 

캐소드 물질은 전통적으로 Ca 또는 Al과 같은 낮은 일함수을 가지며 애노드는 PEDOT:PSS/ITO 이고 기판은 유리 또는 폴리머이다.  

참고: modern plastic solar cells: materials, mechanisms and modeling, Ryan C. Chiechi, et al, Materials Today-Volume 16, Numbers 7/8* July/August 2013. 

OPV 소자의 광활성층에 금속 나노입자 주입 효과

용액 공정으로 제조된 나노입자가 OPV 소자의 광활성층내에 분산되면 광흡수을 상당히 강화시킬 수 있는데 이는 큰 지름의 나노입자에 의한 산란광의 발생 또는 작은 지름의 입자로 부터 LSPR 모드의 여기에 의한 것이다. 

광흡수 증가 효과는 플라즈몬 공명 파장 보다 더 긴 파장으로 확장되어 나타나기 때문에 금속 나노입자 자체에 의한 손실은 대수롭지 않다. 

한편, 광수확 효과에 반하는 나노입자와 혼합물 계면에서의 exciton 재결함 과정이 있다. 

dodelcyl amine의 리간드 껍질로 안정화된 지름 5~6 nm의 나노입자(Au, Ag)를 OPV 소자의 광활성층에 첨가했을 때 70% 이상의 성능 향상이 있었는데 그것은 대부분 활성층 또는 계면에서 불순물 준위가 생겨 전기 전도성 높아지고 직렬 저항이 낮아진 결과이다. 나노입자에 의한 광산란에 의한 광흡수 증가는 거의 없었다. 

화학적 합성된 나노입자의 경우 계면활성제의 존재와 리간드 코팅은 나노입자와 활성층사이에 비방사 에너지 이동을 통해 원치 않는 exciton quenching을 일으킨다. 이는 플라즈몬에 의한 향상 효과를 감소시킨다. 

참고:  Nanoparticle-based plasmonic organic photovoltaic devices, Emmanuel Strakakis et al. Materials Toda, Volume 16, Number 5, April 2013.

완벽한 결정으로 부터 태양전지 효율 기록이 깨질 것이다

(layer-by-layer 원자 결정 성장에 의해 만들어진 이완된 InGaN/GaN 계면에서의 원자 배열) 

미국 과학자들이 태양전지 효율의 기록을 캘 수 있는 개선된 InGaN 결정 성장 방법을 생각해 냈다.  

이번의 향상된 InGaN 결정 성장 방법은 결정내의 원자 구조의 불규칙성을 해결했다. 

 InGaN의 조성 균일성을 높이고 변형을 줄이는 것이 요구되지만 그렇게 하기기 힘들다. 이 물질을 박막으로 성장시키는 것은 서로 다른 크기의  방을 갖고 있는 2개의 벌집을 매끄럽게 서로 맞추는 것과 비슷하다. 여기서 방 크기가 다르기 때문에 주기적인 방을 얻기가 힘들다. 

새로운 성장 방법은 소위 '금속 조절 에피택시(metal modulated epitaxy)'라고 불린다. 

이 방법을 통해 결정 성장 중 첫번째 원자층의 변형이 덜 일어 났다.

원하는 합금 조성을 얻기 위해 분자 펄스가 도입되었다. 이렇게 만들어진 InGaN의 발광 특성은 완벽한 결정의 것과 같았다. 

참고: http://m.phys.org/news/2013-10-atomic-layer-by-layer-ingan-technology-breakthrough.html

태양광 발전 비용

⦿ 태양전지 모듈 가격
전기를 생산하고 유지하기 위한 전체 시스템 비용에서 거의 반을 차지 한다.

1. 재료비

- 강화 유리판(지지 및 보호)

- 밀봉층(EVA 필름, 자외선과 습기 보호)
- 백시트(Fluoropolymer, 외부 환경에 대한 추가 보호)
- 프레임(Al, 설치)
- Tabbing
- 실링재

2. 모듈 제조비

(혁신적인 디자인, 단순한 아키텍처 그리고 우아한 공정 흐름이 요구됨)

-인건비
-장비

3. 모듈 인증 비용

⦿ 시스템 설치

   BOS (Balance-of-system): 응용에 따라 BOS 비용은 천차만별이다.

- 하드웨어
1. 인버터 가격 (그리드 연결 시스템)
2. 와이어링
3. Combiner box (그리드 연결 시스템)
4. 변압기 (그리드 연결 시스템)
5. Racking
6. 설치대(mounting structure)
7. Storage system 가격 (오프 그리드 시스템)
   : 배터리, 충전 컨트롤러

❊ 태양광 발전의 자기 제한적 측면이 경제적인 에너지 저장 기술 개발의 중요성을 더욱 부각시킨다.

- 소프트웨어
1. 땅값

2. 사업성 검토비

3. 사업 허가비 

⦿ 운용 비용 

1. 유지 보수 비용

2. 보조금 정책

매우 효율이 높은 태양광 발전

더 많은 태양광 에너지를 이용할 수 있는 광을 다루는 기술이 개발됐다.

오늘날의 태양전지는 대부분 단일 반도체 물질인 Si로 만들어지기 때문에 단지 태양광 스펙트럼의 좁은 영역을 흡수하고 대부분의 태양광 에너지는 열로 소실된다. 그래서 일반적인 효율은 20% 보다 낮다.

하지만 Atwater와 그의 동료들이 설계한 태양전지의 효율은 최소한 50%의 효율을 가질 것으로 생각되어진다.

그들은 프리즘이 하는 것 처럼 태양광을 6개에서 8개 파장 단위로 효과적으로 쪼갤 수 있는 설계를 적용했는데 이 각 파장 단위는 서로 다른 빛 색깔을 나타낸다. 각 색깔의 빛은 반도체로 만들어진 광흡수체로 비춰진다.

좀 더 자세히 설명하면, 반사 금속판에 의해 수집된 태양광이 특정한 입사각으로 투명 절연 물질로 만들어진 구조로 향한다. 투명 구조의 안쪽에는 다수의 태양전지가 있는데 이들 각각은 6개에서 8개의 서로 다른 반도체로 만들어져 있다.

광이 투명 절연체로 들어가면 얇은 광학 필터 시리즈와 맞닥뜨린다. 각 필터는 단일 색깔의 빛을 통과시켜 셀에 비추어 셀이 흡수하도록 하고 나머지 색깔은 다른 색깔의 빛은 다른 필터 쪽으로 반사시킨다.

모든 각도에 들어오는 태양광을 필터링 할 수 있는 다른 방법은 나노크기의 광학 필터를 채용하는 것이다. 또한 홀로그램을 필터 대신 이용하는 방법도 있다.

아직까지 어떤 디자인이 가장 좋은 성능을 낼 것 인지는 명확지 않다.

태양전지 모듈 디자인에서 높은 효율을 얻는 것이 태양광 산업에서 첫번째 목표가 되어야 한다. 이것이 태양광 발전 비용을 낮출 수 있는 가장 좋은 지렛대이기 때문이다.

참고: http://www.technologyreview.com/featuredstory/513671/ultra-efficient-solar-power/

태양광 발전에 있어서 고려되어야 할 결정적인 요소

태양광 발전 사업에서 태양전지 모듈 가격 뿐아니라 태양광 발전 시설의 장기 신뢰성과 내구성이 중요하다. 여기서 신뢰성은 재앙적인 불량이 발전 초기에 발생되지 않는 것이고 내구성은 년간 출력 저하의 최소화를 말한다.

태양전지 시스템의 가격은 종종 와트당 가격으로 표시되는데 이는 초기 출력 용량을 위한 태양전지 모듈 구매 비용만을 제시한다. 실제로는 시스템 운영 관점에서 종합적인 비용을 알아야 한다.

왜냐하면 태양전지 꾸준한 시스템 가격의 하락에 의한 비용 절감 효과는 시스템으로 부터 장기간 전력을 생산하여 투자금을 회수해야 한다는 리스크에 의해 줄어들수 있기 때문이다.

구성 부품의 설계를 변경하고 재료와 제조 공정을 개선해서 와트당 가격을 낮췄을 때 오히려 수명이 줄어들거나 출력 저하 또는 성능 위험이 증가된다면 에너지 비용은 높아진다.

따라서 장기 성능을 보장할 수 있는 태양전지 시스템이 중요하다.

참고: http://www.esi-africa.com/node/16903

※ 일반적인 고려 사항: 와트당 가격, 셀 복잡성, 기계적 특성, 특정 목적에 맞는 응용.

Panasonic의 HIT Double 양면 태양전지

HIT(heterojunction with intrinsic thin layer) 태양전지는 단결정 Si 웨이퍼에 아주 얇은 비정질 Si층으로 둘러싸여 있는 하이브리드 태양전지이다. 

Panasonic의 HIT Double은 HIT 태양전지가 유리 양면 모두에 라미네이트된 구조로 되어 있다. 이 구조는 태양전지 모듈의 양면 모두로 부터 태양광을 포획해서 전력을 생산할 수 있게 해 준다. 

HIT Double 모듈은 잠재적으로 단면 HIT에 비해 30% 이상의 전력 생산을 가능케 한다. 

참고: http://online.wsj.com/article/PR-CO-20131018-906194.html