페로브스카이트 태양전지 제조에 빛을 비추다

KRICT 과학자들은 페로브스카이트 광흡수체를 만들기 위한 새로운 제조방법(분자 교환)을 찾아냈고 최대 가능 효율 20.2%의 셀을 만들었다. 

최근 페로브스카이트 태양전지의 효율은 20% 까지 증가했지만 실제 사용 기간 동안 안정성을 유지할 수 있는지에 대한 의구심이 많다.  

KRICT 연구자들은 효율이 높고 가격 경쟁력 모두를 만족하는 페로브스카이트 태양전지 제조 기술을 고안했다. 

그들은 lead(2) iodide dimethylsulfoxide(DMSO)막을 formamidinium iodide(FAI) 용액에 넣었다. FAI가 DMSO 보다 lead iodide에 대한 친화력이 더 크기 때문에 FAI는 formamidinium lead iodide 페로브스카이트 구조를 형성하기 위해 격내 내에서 DMSO을 치환한다. 

이렇게 하면 기존 methylammonium lead iodide 보다 더 넓은 범위의 태양광 스펙트럼을 흡수하는 잠재력을 갖는다. 

참고: http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/05/research-shines-light-perovskite-solar-cell-manufacturing

Gratzel이 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 증명하다

Dyesol사(호주)는 Gratzel 그룹이 1000시간의 light soaking과 2000 시간 이상의80~85도 온도하에서 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 확보했다고 발표했다. 

게다가, Gratzel 그룹은 실제 조건(뜨거운 사막)에서 페로브스카이트 태양전지의 내구성을 증명했다. 

MAPbI3 페로브스카이트 태양전지의 상업화 있어서 주요 장애물은 검증된 안정성이 부족하다는 것이다. MAPbI3은 외부 환경에서 특히 수분과 대기와 고유의 친화성이 있어서 열화가 일어난다.

이를 해결하기 위해 그들은 Dyesol사의 상용화를 위한 페로브스카이트 태양전지의 아키텍처를 이용했다. 이 아키텍처는 탄소를 후면 접촉으로 채용한 홀 전도체가 없는 3 층 아키텍처이고 활성 물질은 페로브스카이트, TiO2, 그리고 ZrO2이다. 

참고: http://www.novuslight.com/gratzel-demonstrates-perovskite-stability_N4129.html

페로브스카이트 내의 결함을 식별하다.

(화학적 처리 후 향상된 전자 소자용 페로브스카이트 물질 품질)

Washington 대학과 Oxford 대학의 연구자들이 고출력 영상 기술을 이용해서 페로브스카이트 태양전지에서 전류 흐름을 제한하는 결함을 식별했다. 

이 기술은 생물학에서 사용되는 공초점(confocal) 광학 현미경 기술을 기반으로 한다. 

그들은 형광 이미지와 전자 현미경 이미지 사이의 상관관계로 부터 페로브스카이트 물질의 결정의 교차점에 있는 검은 색으로 나타나는 성능이 불량한 영역을 식별했다. 이 기술은 효율 증가와 물질의 안정성과 균일성을 향상시킬 것으로 기대된다. 

또한 그들은 간단한 화학적 처리가 불량 부분의 일부를 정상으로 되는 것을 관찰했다.

참고: http://www.azom.com/news.aspx?newsID=43758

새로운 기술이 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 도움을 주다

페로브스키이트 태양전지의 기존 제조 방법은 전구체 화학 물질을 용액으로 용해시켜 기판에 코팅한 후, 열처리를 통해 용액을 제거하고 기판에 페로브스카이트 결정 막을 남긴다. 

이 방법은 센티미터 크기의 막 균열을 일으킨다. 이를 해결하기 위해 용액의 열처리 온도를 100~150도에서 하지만 불균일한 결정이 형성될 수 있어 막 내에 작은 핀홀이 생성될 우려가 있다. 이 핀홀은 효율을 저하시킨다.  

Brown University 연구자들은 열-기반 페로브스카이트 태양전지 제조에 관한 이슈를 해결하기 위해 “solvent-solvent extraction(SSE)” 방법을 개발했다. 

이 방법은 페로브스카이트 전구체를 NMP 용매에 용해시키고 이것을 기판에 스핀 코팅한다. 여기 까지는 기존 기술과 동일하다. 

기판을 열처리를 하지 않고 페로브스카이트 전구체가 코팅된 기판을 두 번째 용매인 DDE(diethyl ether)에 담군다. DDE 용매는 NMP 용매를 제거하고 페로브스카이트 막의 빠른 결정화를 시키는 역할을 한다. 이렇게 해서 매우 매끄럽고 균일한 막이 만들어진다. 

열-기반 방법은 페로브스카이트 막을 형성하기 위해 최소한 1시간이 걸리지만 SSE 방법은 단지 2분이 걸리며 열-기반 방법의 300 nm 두께의 비해 SSE 방법은 핀홀이 없는 20 nm 두께의 매우 얇은 막을 만들 수 있다. 

SSE 방법으로 기존 방법에 비해 최대 수 센티미터 넓이의 더 큰 셀을 만들 수 있으며 열처리가 필요없기 때문에 열에 민감한 폴리머 기판을 사용할 수 있다. 

또한, 매우 얇은 막을 만들 수 있기 때문에 부분적으로 투명한 막을 만들어 창문에 사용될 수 있고 색깔이 있는 셀을 만들기 쉽다.

SSE 증착 CH3NH3PBI3 박막의 평면 페로브스카이트 태양전지의 효율은 최대 15.2%이고 특히 100 nm 이하 두께의 반투명 페로브스카이트 태양전지의 평균 효율은 10.1%이다.  

참고: http://www.gizmag.com/perovskite-solar-cells-method/37264/

용액-성장 CH3NH3PbI3 단결정의 전자 홀 확산 거리가 173 um이 넘다

NH3NH3PbI3(MAPbI3)은 태양전지, 레이저, LED, 그리고 광 센서 등에 응용되고 있다. 이런 것이 가능한 것은 MAPbI3의 gammavoltaic 효과에 의한 것이다. 

MAPbI3 단결정 막은 grain boundary가 MAPbI3 다결정(MPC) 막보다 더 커서 전하 트랩 밀도가 적어 캐리어 확산 거리가 더 길다. 

연구자들은 MPC 막의 캐리어 확산 거리를 증가시키기 위해 용액 어닐링을 해서 grain boundary가 커지는 효과로 인해 캐리어 확산 거리를 1 um으로 증가시켰다. 

또한, 그들은 저온 용액 공정을 통해 3 mm 크기의 MAPbI3 단결정(MSC)을 만들어 기본적인 전기적 특성을 분석했다. 1 sun 하에서 전자와 홀의 확산 거리가 173 um가 넘었고 약한 빛에서 3 mm 두께의 MAPbI3 단결정 페로브스카이트 태양전지의 내부 양자 효율이 100%에 도달한다는 것을 알았다. 

과포화된 MAPbI3 용액으로 부터 크기가 큰 MSC는 온도 구배가 있는 top-seeded solution growth(TSSG) 방법에 이용됐다. 

그릇 하단의 크기가 작은 MSC는 과포화 용액을 위한 MA+, Pb2+, I- 이온 농도를 유지하고 있다; 용액의 반인 더 차가운 그릇 상단 쪽의 용액이 과포화된다. 더 큰 MSC는 더 작은 MSC의 소모에 위해 자라는 것이다. 

용액의 상단과 하단의 작은 온도 차는 더 큰 MSC로 물질을 수송하기 위한 충분한 대류를 유도한다. 성장한 MAPbI3의 평균 크기는 3 mm이고 최대 크기는 ~10 mm이다.  

참고: Electron-hole diffusion lengths > 175 um in solution-grown CH3NH3PbI3 single crystals, Qingfeng Dong, et al, Science, 27 February 2015, Vol 347 issue 6225. pp 967

새로운 폴리머 물질로 태양전지 출력 향상시키기

고효율 태양전지를 위한 과제 중 하나는 흡수된 빛 에너지 일부가 열로 소실되는 것을 최소화하는 것이다. 그래서 과학자들은 그러한 에너지를 유용한 전기로 변환시킬 수 있는 물질을 디자인하려하고 있다. 

Brookhaven National Laboratory (Upton, NY)와 Columbia 대학이 이와 관련된 연구를 수행했다. 

그들은 고분자의 짝을 만들어 포톤당 2개의 전하 캐리어를 생성시켜 소실될 에너지 일부를 복원했다.

(그림 1: Singlet fission이 가능한 분자와 폴리머 물질을 위한 템플릿 디자인) 

그들은 어떻게 multiple exciton generation (MEG)가 단분자 폴리머 체인에서 효과적으로 일어나는지 보여준다. 

동일 분자에서 2개의 전하를 갖는다는 것은 광을 흡수하고 에너지를 생산하는 물질이 여분의 전하를 생산하기 위해 완벽한 결정으로 배열될 필요가 없다는 것을 의미한다. 

대신, self-contained 물질이 액체에 용해되어 있을때 효과적으로 작동한다. 이는 산업 규모의 제조 공정을 가능하게 한다.  

포톤 하나 당 2개의 전하를 생산하는 개념은 singlet fission이라고 한다. 

단일 접합 태양전지의 이론 효율은 34%이다. Singlet fission을 이용한다고 하더라도 이론 효율의 2배를 넘을 수 없는데 그 이유는 singlet fission 물질이 실질적인 전류-생산 소자와 결합되어야 하기 때문이다. 

지금까지 연구된 대부분의 singlet fission 물질에서는 쌍둥이 전하 캐리어가 분리된 분자에서 생성되었다. 이것은 물질이 long-range order를 갖는 결정 필름일때만 잘 작동하는데 강한 커플링이 이웃 분자에 추가 전하를 생성시킨다.  

고품질의 결정 필름을 태양전지 제조에 접목하는 것은 공정을 복잡하게 한다. 반면 단일 폴리머 분자(강한 intrachain 도너-업셉터 상호작용을 하는)에서 쌍둥이 전하를 생산하는 것은 산업 공정에 훨씬 더 양립할 수 있는 물질을 만들 수 있게한다. 

그들은 시간 분해 광학 분광기로 단일 레이저 포톤을 이용해서 다양한 폴리머에 대해 singlet fission을 유도하고 정량화했다. 레이저 펄스를 물질에 쏘아서 일련의 약한 광 펄스를 통해 어떤 일이 일어나는지 조사했다. 

참고: http://www.plasticstoday.com/articles/Improving-solar-cell-output-with-new-polymer-material-150217

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/