나방과 사람의 눈을 모방한 기술이 태양전지의 성능을 증가시키다

ASTRS와 Helmholtz-Zentrum Berlin과 the Max Planck Institute for Science of Light의 두 기관이 거의 동시에 태양전지를 위한 반사 방지 기술을 발표했다. ASTRS는 나방의 눈을 모방했고 후자는 사람의 눈을 모방했다. 그런데 두 기술을 실현하기 위한 실행 방법은 달랐다. 

나방의 눈의 독특하고 매우 복잡한 렌즈 구조 패턴은 반사방지 효과를 주어 빛을 포획하고 가두는 역할을 한다. 

 나방의 눈을 모방하기 위해 나노임프린트 리소그래피가 이용된다. 폴리카보네이트 필름 위에 니켈 몰드의 크기가 다른 2개를 차례로 임프린트한다. 첫번째 몰드로 임프리트 한 후 희생 폴리머를 코팅한다. 그리고 난후 약간 큰 몰드를 나중에 임프린트하고 희생 폴리머를 제거한다. 이렇게 해서 그들은 나방의 눈을 복제해서 반사율 4.8%을 얻었다. 

 이 기술은 아직 실험실 단계이지만 대면적화를 위해 롤러 프린터 이용이 고려되고 있다.  

사람 눈의 망막의 중심와(fovea centralis)는 수많은 조밀한 깔대기 모양의 수직 배열의 반전(inverted) 콘이 신경 세포에 직접적으로 연결되어 있어 우리가 책이나 TV를 볼 수 있게 해 준다.

연구자들은 어떻게 이 깔대기 모양의 콘이 밝은 곳에서 빛을 포획하는지를 주목했고 태양전지를 위해 빛을 모으고 전달하는 것으로의 응용을 생각했다. 

그들은 Si 표면에 종래의 반도체 공정을 이용하여 마이크로 크기의 수직 배열의 깔대기를 형성했다. 

 나노 구를 Si 기판위에 올려 놓고 에칭을 통해 나노 구 아래의 Si을 남기고 나머지 부분의 Si을 제거한다. 그런 후 나노 구를 제거하게 되면 위쪽이 넓고 아래쪽이 좁은 깔대기 모양이 형성된다. 깔대기의 상부 폭은 800 nm이고 하부 폭은 100 nm이다. 

깔대기가 좁을수록 빛 농도가 증가 했다. 

그들은 이 기술로 박막 태양전지의 효율을 증가를 위해 노력하고 있고 특히 대면적 태양전지에 적용하기 위해 경제성있게 그들의 디자인을 키울수 있는 방법을 찾고 있다.   

참고: http://www.greenoptimistic.com/moth-eyes-solar-cell/#.VQ1Qflq616g, http://www.gizmag.com/silicon-micro-funnels-solar-cell-efficiency/36324/

표면 파괴층 최소화가 싸고 친환경적인 태양전지를 만들다

A*STAR의 과학자들은 기존 공정을 이용하여 CuO(p-타입)와 Si(n-타입) 사이의 계면을 조정하여 싸고 고성능 태양전지를 만들었다. 

그들은 CuO를 Si 기판 위에  증착시 압력을 증가시켜  결정과 계면 품질을 강화시켰다.  이렇게 하면 전자와 홀의 재결합비 감소 효과가 있다. 

CuO는 p-타입 반도체이고 태양광 흡수에 이상적인 밴드갭을 갖고 있다. 

문헌에 의하면 CuO와 Si는 고성능 태양전지를 만들기 위한 완변한 한 쌍이다. 하지만 실제로는 전자와 홀이 그들 내에 재겹합되려는 경향때문에 태양전지에 적용했을때 특성이 좋지 않다. 이 문제에 대한 한 원인은 Si 표면위의 SiO2 때문에 CuO와 Si 사이의 계면 품질이  좋지 않기 때문이다. 

일련의 분석 기술을 적용하여 그들은 계면 품질은 Cu-rich oxide 층의 형성 뿐아니라 Si 표면 위에 SiO2의 생성에 의해 제한적이라는 것을 알았다. 

또한 그들은 증착 압력과 어닐링 시간을 증가시키면 Cu-rich 층을 최소화 할 수 있다는 것을 알았다. 

참고: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=39261.php

자기 나노입자(Fe3O4)가 유기 태양전지의 성능을 강화시키다

유기 태양전지의 낮은 효율을 개선하기 위한  유망한 방법 중 하나는 Au 나노 입자를 이용하여 추가적인 태양광을 흡수하고 다시 에너지를 방출할 때 추가적인 전하 캐리어를 발생시키는 것이다.

하지만 Techinical University of Munich의 과학자들은 다른 접근 방법을 추구했다. 광생성된 전자-홀 쌍이 재겹합하기 전에 분리시키는 것이 관건이기 때문에 전자-홀 쌍의 수명을 연장하는 방법을 찾은 것이다. 

 이 전략은 스핀 이라는 양자 물리적 원리에 근간을 두고 있다. 전자와 홀 모두 스핀 양자 값 1/2을 갖고 있다. 만약 전자와 홀의 스핀 방향이 같으면  그 쌍의 스핀 값은 1이되고 다르면 0이 된다. 스핀 값이 1일 때 0일때 보다 전자-홀 쌍의 수명은 길다. 

연구자들은 전자-홀 쌍의 스핀 방향을 같게 하기 위해 Fe3O4 나노 입자를 사용했다. 0.6 wt% 의 Fe3O4를 혼합했을 때 유기 태양전지의 효율은 3.05에서 3.37%으로 증가했다. Fe3O4를 1.0 wt% 이상 첨가하면 누설 전류의 증가로 효율은 급격히 감소한다. 

참고: http://www.desy.de/aktuelles/news_suche/index_ger.html?openDirectAnchor=731

UCLA 연구자들이 향상된 유기 태양전지의 핵심을 밝히다

태양광 스펙트럼의 많은 부분을 흡수하기 위한 새로운 폴리머 개발이 필요하다. 이를 위해 다른 분자 구조의 새로운 폴리머를 개발하거나 두 가지 이상의 폴리머를 혼합하는 방법이 있다. 후자는 큰 효율 개선을 이루는 것이 어려운 것으로 알려져 있다. 

UCLA의 연구자들은 폴리머가 서로 호환이 되는 분자 구조를 갖는 폴리머를 신중하게 선택했다.

그들의 폴리머의 선택 방법은 서로 다른 폴리머 조합, 폴리머의 결정 크기, 그리고 셀 아키텍처로 평가하여 어떤 혼합이 효율을 향상시키고 어떤 조합일 때 서로 호환되지 않은지 결정하는 것이다. 

이렇게 함으로써 그들은 효율을 향상시킬 수 있는 폴리머의 적절한 쌍을 선택하기 위한 규칙을 발견했다. 

참고: http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-researchers-identify-keys-to-improved-polymer-solar-cells

Ge 나노결정의 캐리어 증식_캐리어 증식 현상

이 연구는 SiO2 매트릭스 내의 Ge 나노 결정의 고체 분산에서 캐리어 증식(carrier multiplication, CM) 현상을 보여 준다. 이것은 캐리어 증식이 일어나는 임계 에너지 이상과 이하의 서로 다른 펌프 포톤 에너지에서 초고속 photo-induced absorption transient를 비교함으로써 이루어졌다. 

PL과 라만 스펙트럼으로 부터 평균 Ge 나노입자의 크기는 대략 5~6 nm이었고 Ge의 광학 밴드갭의 2.8배의 광 여기 에너지에서 캐리어 증식 효율은 대략 190%였다. 

고에너지 포톤은 energetic e-h 쌍을 만들고 전류의 형태로 추출되기 전에 먼저 냉각된다; 즉, 입사광의 상당 부분이 열로 변환된다.

CM 현상은 추가 자유 캐리어을 만들어 열 에너지 손실량을 줄인다.  

Si과 같은 벌크 물질에서 CM은 hot carrier에 의한 충격 이온화를 통해 일어난다.  하지만 그 효율은 매우 효과적인 캐리어-쿨링 과정과 경쟁함으로써 상대적으로 낮다.  

CM은 그래핀과 PbS 나노시트(2차원 구속), 탄소 나노튜브와 PbSe 나노기둥(1차원 구속) 그리고 양자점(0차원 구속)과 같은 공간적으로 구속된 물질에서 상당히 강화된다는 것을 알았다. 

양자점의 경우, CM은 콜로이드 분산 또는 고체 매트릭스 내에 임베디드된 양자점에 대한 연구가 이루어지고 있다. 

보통, 공간적으로 구속된 물질내에서 캐리어들 사이의 쿨롱 상호작용은 증가한다. 그것에 의해 CM과 Auger 재결합과 같은 전하 산란 과정은 강화된다. 따라서 구속이 강하면 CM 과정의 효율은 커진다. 

Ge은 특유의 특성으로 인해 관심을 끌고 있는데 높은 화학적 순도, 등방성의 큰 다양성, 직접과 간접 밴드갭에 가까운 독특한 밴드 구조, 그리고 스트레스에 대한 민감성을 갖는다.  

벌크 Ge의 밴드갭은 0.67 eV로 태양전지에서 CM을 이용하기에 거의 이상적이다.

Ge 나노 결정이 임베디드된 SiO2 매트릭스는 멀티 타켓 챔버를 이용하여 고주파 cosputtering에 의해 만들어진다. 막의 두께는 500 nm 정도이고 Ge 함량은 20%이다.

증착 후 샘플은 N2 분위기 1100도,30분에서 어닐링된다. 어닐링 단계 동안 Ge이 작은 결정 분리되어 SiO2 매트릭스 내에서 임베디드된다.

(그림 2 (a) 흡수 곡선(청색)과 PL 곡선(적색). (b) Lorentzian fit(점선)이 있는 Ge 나노결정의 라만 스펙트럼(갈색). 비교를 위한 벌크 Ge의 라만 스펙트럼(녹색). 라만 피크의 이동은 양자 구속에 의한 것이다.)

Ge 나노결정은 정상-상태 흡수와 PL 스펙트럼 측정을 통해 광학적으로 특성 분석되었다.

PL 스펙트럼에서 최대값의 위치는 광학적 밴드갭 1.25 eV을 뜻하는데 이는 Ge 나노결정의 지름이 4~5 nm에 해당하는 이론적 계산에 해당한다. 하지만 Ge 나노결정에 관해서 이론적 모델과 실험 결과 사이에는 명확한 불일치가 있다. 

평균 Ge 나노결정의 지름은 라만 스펙트럼의 폭 및/또는 shift로 부터 예상할 수 있다. 라만 피크의 shift는 양자 구속의 존재 뿐 아니라 시스템 내의 스트레스에 의해 나타난다.

실험적으로 측정된 shift는  Ge 나노결정의 지름이 2 nm를 의미하지만 실험적으로 측정된 라만 피크의 폭 값은 Ge 나노결정의 지름이 ~6 nm에 해당한다.    

본 샘플에서 측정된 shift는 스트레스에 의한 것이기 때문에 Ge 나노결정의 평균 크기는 대략 5~6 nm라고 가정한다. 

(여기 파장 800 nm(a)와 400 nm(b)에 대한 검출 파장 1300 nm 근처에서 측정된 transient absorption(TA) 다이나믹스. 400 nm 일때 double-exponential decay는 CM의 증거이다. 삽화는 흡수 광자 fluence에 대한 TA의 최대 크기와 single exciton decay 꼬리의 크기의 비를 나타낸다.)

(펌프 포톤의 저에너지(a)와 고에너지(b) 사이의 차이)

참고: Carrier multiplication in germanium nanocrystals, Saba Saed, et al., Light: Science & Application (2015) 4, e251;doi:10.1038/Isa.2015.24 

Natcore가 최초로 Ge 양자점 기반 태양전지를 개발하다

Natcore Tchnology Inc.와 Rice 대학의 과학자들은 일반적인 n형 Si 웨이퍼에 Ge 양자점을 이용해서 성공적으로 이종접합 태양전지를 만들었다. 

각개의 Ge 양자점은 SiO2로 감싸여져 있고 p형을 띄며 Natcore의 LPD(liquid phase deposition) 공정을 통해 SiO2 막이 형성되어 있는 상용 등급의 Si 웨이퍼 위에 증착했다. 그런 다음 웨이퍼에 접촉을 형성하여 셀을 만들었다. 

양자점의 장점은 양자점의 크기를 세심하게 제어하면 빛의 특정 스펙트럼의 에너지를 포획할 수 있도록 튜닝이 가능하다는 것이다.  

포획되지 않은 스펙트럼의 부분은 아래 다음 층으로 전달되어 특별하게 튜닝된 저밴드갭 양자점이나 일반적인 Si 웨이퍼가 포획할 수 있다.  

참고: http://www.natcoresolar.com/news/natcore-produces-first-germanium-quantum-dot-based-solar-cell/

Co-solvent 첨가에 의한 효율 증가 이유를 알다

Technische Universiteit Eindhoven(TU/e)의 연구팀은 유기 태양전지의 제조 과정에 co-solvent를 첨가하면 효율이 2~3배 증가되는 이유를 밝히는데 성공했다.

유기 태양전지에서 광활성 물질인 두 플라스틱 물질(폴리머와 플러렌)을 혼합할 때 co-solvent를 이용하는 것은 보편적이다. 

Co-solvent는 혼합된 두 플라스틱 물질의 미세한 구조인 모폴로지와 관계가 있다. 

이 혼합된 플라스틱 용액을 증발시키고 웅고시키면 광활성층이 만들어 진다.

Co-solvent를 첨가하지 않았을 때는 플라스틱 혼합물이 굳을 때 플러렌 덩어리가 생겼다. 이 방울은 전자 이동에 불리한 영향을 주어 셀 효율을 떨어뜨린다.  

Co-solvent를 많이 첨가 시킬수록 플러렌 덩어리는 작아지고 특정한 첨가량에서 이 덩어리는 완전히 사라졌다. 꼭 베이킹 파우더 효과가 나타났다.

혼합물 경화 과정 동안 두 효과가 일어난다. 용액 증발과 폴리머의 “접힌” 구조 생성이다. Co-solvent는 이 접힌 현상을 경화 단계 보다 훨씬 이전 단계에서 일으켜서 폴러렌 덩어리가 경화 과정에서 발생하지 않게 한다. 

참고: http://www.azom.com/news.aspx?newsID=43269