미래의 태양전지는 나무로 만들어질 것이다

나무 섬유로 만들어진 새로운 종류의 종이가 96%의  투과율을 나타냈는데 차세대 태양전지를 위한 혁신적인 재료가 될 수 있다.

하지만, 가장 중요한 것은 광학적 투과도와 haze 사이의 tradeoff를 극복하는 것이다. 보통, 90% 정도의 투과도의 물질은 20%이하의 매우 낮은 haze을 지닌다.

나무 기반 새로운 종이는 96%의 초고 투과도와 60%의 광학적 haze를 나타냈다.

두 특성 모두에서 좋은 주요한 이유는 이 종이는 마이크로 기공 보다 오히려 나노기공을 가지고 있기 때문이다.

일반적인 종이는 나무 섬유로 만들어지며 다공성 구조 내에 있는 마이크로 공동이 광을 산란시키기 때문에 낮은 광학적 투과도를 지닌다.

새로운 종이에서는 이들 마이크로기공이 광학적 투과도를 향상시키기 위해 제거된다.

이렇게 하기 위해 과학자들은 나무 섬유를 만들기  위해 마이크로  섬유들 사이의 수소 결합을 약하 시키는 TEMPO라고 부르는 처리를 사용했다. 나무 섬유가 부풀어 올라 무너지면서 마이크로기공 보다 오히려 니노기공을 포함하는 밀하고 빽빽하게 패킹된 구조가 된다.

태양전지에 응용에 이 종이를 테스트하기 위해 Si 판위에 코팅 했다.

실험결과, 10%의 광수확 증가가 있었다.

참고: http://m.phys.org/news/2014-01-future-solar-cells-wood.html

Kesterite 태양전지 전망을 높이는 급속 저온 공정

HZB와 Limerick 대학의 연구자들은 상대적으로 저온에서 몇 초안에 반응하는 새로운 고체를 발견했다.

이 반응을 위해 그들은 나노기둥의 준안정 상태의 wurtzite 화합물에서 더 안정적인 kesterite 화합물로의 전이를  활용했다.

그들은 고속 가열을 통해 거의 나노미터 크기의 결정 그레인을 갖는 kesterite 박막을 만드는데 성공했다. 이 박막은 박막 태양전지에 이용 가능하다.

용액 기반 화학 처리의 도움으로 그들은 kersterite(Cu2ZnSnS4)와 정확히 똑같은 성분을 갖는  매우 정돈된 wurtzite 나노기둥의 막을 제조했다.

샘플을 더 빨리 가열하면 더 큰 그레인이 성장한다.

낮은 가열 속도에서는 wurtzite에서 kersterite으로 전이가 더 낮은 온도에서 시작하고 대부분 작은 그레인이 형성된다. 게다가 더 많은 결함이 더 낮은 온도에서 형성된다.

하지만 급속 가열 동안은 그 전이는 더 높은 온도에서 일어나고 결함이 덜한 그레인이 형성된다.

이 연구는 비싼 진공 기술의 필요없이 나노결정 반도체 박막을 위한 새로운 길을 의미한다.

참고: http://www.laserfocusworld.com/articles/2014/01/rapid-low-temperature-process-improves-kesterite-solar-cell-prospects.html

페로브스카이트 태양전지의 이해

납 할로겐화물 페로브스카이트 반도체 기반의 태양전지는 15%가 넘는 매우 높은 변환 효율과 1 V가 넘는 셀 전압이 상당히 높은 특성을 보인다. 

하지만 페로브스카이트가 어떻게 동작하는지 완벽히 알지 못한다. 

EPEL과 Institute for Solar Fuels의 과학자들은 시간-분해 분광학 기술을 이용해서  어떻게 전하가 페로브스카이트 표면에서 이동하는지 조사했다. 

그들은 TiO2 반도체와 Al2O3 절연체막 중 하나를 이용한 다양한 셀 아키텍처에 대해 연구했다. 이 다공성 막에 CH3NH3PBI3와 유기 홀 수송 물질(hole-transporting material)인 spiro-OMeTAD가 스며들어 있다. 

그들의 결과는 주요한 두 다이나믹스를 제시했다. 

  

(HTM⎜페로브스카이트⎜TiO2셀의 에너지 준위와 전자 이동 과정의 도식도)

1차 전하 분리

(1) 광생성된 전자가 TiO2 나노입자로 주입된다.

(2) 광생성된 홀이 HTM으로 주입된다.

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(3), (4) 엑시톤이 소멸되면서 광발광하거나 비복사(non-radiative) 재결합을 한다.

(5), (6), (7) 3개 계면에서 전하 캐리어의 재결합

연구 결과는 첫째, 광여기된 페로브스카이트에서 전자와 홀 주입이 매우 빠르게 일어나는 것과 동시에 전하 분리가 TiO2와의 접합과 홀 수송 물질과의 접합 둘 다에서 sub-pico초 동안 일어난다. 

둘째, 전하 재결합은 Al2O3 막에 비해 TiO2막에서 상당히 느리다. 

그들의 결과로 부터 할로겐화물 페로브스카이트는 태양전지에서 독특한 반도체 물질이고 두 접합에서 전자와 홀의 이동을 동시에 매우 빠르게하고 두 전하 캐리어를 매우 효과적으로 수송한다는 것을 알았다. 

특히, TiO2 막과 홀 수송 물질에 기반한 아키텍처가 확실히 장점이 있다.

참고: http://www.sciencedaily.com/releases/2014/01/140121113449.htm

달궈진 탄소 나노튜브가 더 많은 광을 포획하도록 도운다

MIT의 과학자들은 보통 버려지는 빛의 파장을 이용하기 위해 탄소 나노튜브 층이 있는 콤팩트하고 평면의 열광전지를 연구하고 있다. 

그들의 열광전지의 효율은 3.2%였다. 

그들은 다중벽 탄소 나노튜브와 Si/SiO2 광결정을 결합한 "흡수체-이미터(absorber-emitter)"을 입사광과 태양전지 셀 사이에 만들었다.

흡수체-이미터는 탄소 나노튜브의 바깥 층에 광결정 층이 단단히 붙어있는 구조이다.  

나노튜브가 집광된 태양광을 흡수하면 흡수체-이미터는 962 °C로 벌겋게 가열된다. 이 때 광결정은 적외선을 방출하고 태양전지는 그 빛을 전기로 바꾼다. 

참고: http://www.bloomberg.com/news/2014-01-20/hot-nanotubes-helping-solar-panels-capture-more-sunlight.html

박막 태양전지를 위한 '역오팔(inverse opal)'구조

연구자들은 박막 태양전지의 효율을 증가시키기 위해 더 많은 태양광을 흡수할 수 있는 3-D "광결정"을 이용했다. 

이 합성 광결정은 보석에서 발견되는 입사광을 굴절과 회절시키기기 위해  "역오팔"로 불리는 구조를 갖고 있다. 이 새로운 구조는 Si 매트릭스 내에 공기로 채워져 있는 구로 이루어져 있다. 

연구자들은 맨 먼저 표준 오팔 구조를 만든 후 구를 용액 안에 놓아 둔다. 용액이 증발하면서 자기-조립 구조가 뒤에 남는다; 구가 액체와 공기 사이의 계면인 meniscus와 바로 접해 있는 기판위에 쌓인다. 

이 역오팔 구조는 빛이 들어오면 회절되어 박막 내에서 박막과 평행한 경로를 따라 전파하게 된다. 

그들은 소위 meniscus-driven 자기-조립을 이용해서 역오팔을 만들었다. 

이 기술은 근적외선을 흡수하고 수확하는데 효과적이다. 근전외선 흡수가 중요한 이유는 태양광에서 근적외선 광이 차지하는 영역이 크기 때문이다. 

특히, '역오팔' 구조는 규칙적이 구조여서 불규칙 구조인 텍스처링 구조와 결합하면 두 구조로 부터 시너지 효과를 얻을 수 있다. 

참고: http://www.purdue.edu/newsroom/releases/2014/Q1/inverse-opal-structure-improves-thin-film-solar-cells-.html

그래핀과 페로브스카이트에 기반한 고효율의 더 경제적인 태양전지

이번의 과학적인 연구는 매우 효과적으로 태양광을 흡수하는 신재료인 페로브스카이트와 다용도이면서 저가로서 유망한 재료인 그래핀을 결합한 것이다. 

본 연구에서 그래핀이 사용된 태양전지의 효율은 15.6%였다. 

이 새로운 소자는 meso-superstructured 페로브스카이트 태양전지인데 전자 수집층으로써 그래핀과 TiO2 나노입자의 나노복합재료을 이용했고 (nanocomposite) 용액 기반 막 형성 공정으로 만들어졌다. 

특히, 그래핀 나노조각은 나노복합재료내에서 우수한 전하 수집 특성을 제공하고 전체 소자가 150 °C 아래에서 제조될 수 있게 한다. 

참고: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl403997a

단파장 응답이 향상된 InP 나노와이어 태양전지

Hokkaido University와 JST(Japan Science and Technology Agency)의 과학자들이 300~570 nm 범위의 단파장에서 내부 양자 효율이 벌크 InP 기반 소자 보다 좋은 InP 나노와이어 태양전지 구조를 개발했다. 

InP 나노와이어는 p형 도핑의 단일 프로파일을 갖고 있는데 광전지 접합은 투명전극 ITO을 더 증착하면서 생긴다. p-InP/n-InP 접합 보다 단지 p-InP로만 나노와이어를 성장시킴으로써 잠재적으로 더 제어가능하고 더 싸게할 수 있다. 

p형 InP 나노와이어는 p형 InP 기판위에 SA-MOVPE을 사용해서 성장되었다. selective-area 마스크은 1.2 mm×1.2 mm 면적에 400 nm 피치의 삼각형 어레이에 있는 200 nm 지름의 홀이 있는 20 nm 두께의 SiO2로 이루어져 있다. 

마스크의 홀 바깥으로 나노와이어가 성장한 후 benzocyclobutene(BCB)을 스핀-코팅했다. 

ITO는 rf 스퍼터링에 의해 BCB에 노출된 나노와이어 끝에 증착되었다. 

U 형태의 금속 전극은 ITO 위에 Ag로 이루어져 있고 기판 후면에 Au-Sn이 있다. 

연구자들은 ITO가 표면 근처에 n+ 영역을 형성하여 매몰(buried) n+/p 호모접합을 한다고 믿는다. 

AM1.5G 광조사에서, Voc 0.436 V, Jsc 24.8 mA/cm2, FF 0.682, η 7.37 % 이다. 참고로 평면 ITO/InP 태양전지는 18.9%의 효율을 지닌다. 

소자의 활성 영역의 82%가 나노와이어 사이의 공간인점을 감안하면 Jsc는 꽤 높은데 이는 강화된 광흡수와 반사 방지 효과의 결합의 결과이다. 

400~750 nm 범위에서 내부 양자 효율은 80%보다 크다 특히, 490 nm에서 내부 양자 효율이 0.943으로 무척 높다.  

참고: http://www.semiconductor-today.com/news_items/2014/JAN/JST_070114.shtml