야간에도 태양광 에너지를 저장할 수 있는 기술이 개발되다

지금의 태양전지는 태양광을 바로 이용하기 때문에 야간이나 구름낀 날에는 전기를 얻을 수 없다. 

UT Arlington팀은 야간에도 태양광 에너지를 저장할 수 있는 all vanadium  photo-electrochemical flow cell을 개발했다. 

Vanadium 전해질과 하이브리드 촉매제(WO3/TiO2, 광전극)로 구성되어 있고 HxWO3(hydrogen tungsten bronze)가 반도체로 부터 광생성된 전자의 저장과 방출을 동시에 한다. 

연구자들은 셀 내에서 태양광 에너지와 전자 모두 동시에 가역 저장이 가능하다는 것을 보였다. 어두운 조건에서 저장된 전자의 방출은 태양광 저장을 지속되게 한다. 

참고: http://newscodex.com/researchers-develop-new-storage-cell-for-solar-energy-storage-nighttime-conversion-2d03b20e34ef4b2084bfd371e9b90a83

UCLA 팀이 태양 에너지를 저장하는 기술을 개발하다

Si 태양전지의 태양광 에너지 저장 시간은 고작 수 ms인데 UCLA 과학자들은 태양광 에너지 저장 시간을 최대 몇 주 까지 늘일 수 있는 기술을 개발했다. 

이 새로운 기술은 식물이 광합성으로 에너지를 만드는 방식으로 부터 영감을 얻어 나왔다. 

광합성에서 식물 세포 내의 나노 구조는 태양광을 받아서 신속하게 전하를 분리한다

지금의 유기 태양전지는 전기 에너지가 되기 전에 광생성된 전자와 홀이 재결합하여 효율이 낮다. 

만약 유기 태양전지를 식물과 같이 잘 정의된 구조로 만들 수 있다면 효율에 큰 이득이 될 것이다.  

플라스틱 물질은 일반적으로 파스타 요리 같이 조직되어 있다 - 무질서한 긴 덩어리, 가느다란 스파케티(폴리머 도너)에 미트볼(플러렌 업셉터)이 램덤하게 섞여 있다. 

이런 배열은 전자가 때때로 도너로 되돌아가 재결합되어 전자를 셀 밖으로 끄집어 내기에 어렵게 한다. 

UCLA 팀은 도너와 업셉터 물질을 정교하게 배열했다. 물에서 micelle을 형성하는 양이온 반도체 폴리머와 양이온 플러렌를 조립했다. 그 결과, 몇몇 플러렌이 폴리머 덩어리 내에 놓였고 다른 것들은 폴리머 바깥에 위치했다. 

안쪽의 플러렌이 폴리머로 부터 전자을 받아서 바깥에 있는 플러렌에 전자를 넘겨 준다. 이것은 매우 효과적이여서 전자가 폴리머로 부터 몇주 동안 떨어져 있게한다. 

참고: http://newsroom.ucla.edu/releases/ucla-chemists-devise-technology-that-could-transform-solar-energy-storage

Bifacial Si 이종접합-페로브스카이트 탠덤

a-Si/c-Si 이종접합(HIT) 태양전지와 페로브스카이트 태양전지는 저가와 고효율을 실현할 수 있는 태양전지이고 서로 상호 보완적인 특성을 갖고 있다. 

  

HIT셀은 소자 해석과 소자 최적화로 부터 효율 >22%을 얻고 있고 페로브스카이트 셀은 공정과 재료 품질 향상으로 효율 >20%을 달성했다.  

(그림 1: (a) 태양전지 패널은 일반적으로 직사광을 이용한다. 광의 일부는 바닥에서 산란되어 패널의 후면으로 들어갈 수 있다. (b) 일반적인 탠덤 구조, 그리고 (c) bifacial 탠덤 구조.)

Perovskite/HIT 탠덤 디자인은 각자의 단점을 줄일 있고 그들의 보완적인 특성으로 부터 장점을 얻을 수 있어 효율을 더욱 증가 시킬 수 있다. 

일반적인 직렬 연결 탠덤 디자인은 밴드갭 불일치와 전류 매칭 제한을 극복해야 한다. Top 셀의 안 좋은 성능은 일반적인 탠덤 셀의 성능을 상당히 제한하기 때문이다. 

불행히도 페로브스카이트의 밴드갭은 1.55 eV로서 top 셀의 최적 밴드갭 1.7 eV 보다 상당히 낮다. 

연구자들은 광학적 시뮬레이션과 캐리어 수송 모델링을 통해 페로브스카이트/HIT 탠덤 디자인에서 페로스카이트의 최적 두께와 J-V 특성을 분석했다. 

(그림 2. 흡수된 태양광(Jabs와 대응된다)이 페로브스카이트(녹색)와 HIT(적색) sub 셀에 대해 Lpvk(페로브스카이트 두께)의 함수로 나타나 있다. 직렬 탠덤의 Jsc는 페로브스카이트와 HIT sub 셀의 Jabs의 최소값으로 제한된다. 여기서 HIT sub 셀의 두께는 200 um이다.)


최적의 페로브스카이트 두께는 bottom 셀(HIT) 두께가 200 um 일때 135 nm로 나왔고 두께 마진은 20~30 nm이다. 이것은 스핀 또는 drop casting에 의해 제어하기 힘든 두께이다. 

이 두께가 적용된 페로브스카이트/HIT 탠덤 셀의 효율은 ~25%로 HIT 셀만의 효율 ~24% 보다 약간 높은 정도이다. 

따라서 일반적인 탠덤 배치는 각개 셀에 비해 단지 조금 효율이 높을 뿐 비용 효과가 없다. 

Bifacial 페로브스카이트/HIT 탠덤 디자인은 HIT 셀의 bifacial 특성을 이용한 것인데 광전기 제한을 분리시킬 수 있어 sub-셀 두께 변화에 덜 민감해서 각 흡수층의 두께 최적화 필요성을 없애 준다. 

Bifacial 디자인은 태양광이 전면과 후면 모두로 부터 소자로 들어 갈 수 있게 한다.

일반 페로브스카이트/HIT 탠덤 구조에서 후면 접촉에서 Al만 제외하면 bifacial 페로브스카이트/HIT 탠덤 구조가 된다. 이렇게 할 경우 직력 저항이 약간 증가 하지만 탬던 셀 성능에는 큰 영향을 주지 않는다. 

Bifacial 탠덤이 HIT 셀의 Jsc를 증가시키기 때문에 페로브스카이트의 Jsc를 향상시키기 위해 더 두꺼운 페로브스카이트를 이용할 수 있다. 

광학 시물레이션을 통해 페로브스카이트의 두께는 350 nm일 때 최적이라는 것을 알 수 있었다. 

(그림 5: (a) Albedo Ra의 함수로서 sub 셀과 bifacial 탠덤의 Jsc. (b) 페로브스카이트와 HIT sub 셀(녹색과 적색 영역)의 ηt* 출력(1-sun으로 규격화한). Bifacial 탠덤(검은 점선)의 성능은 Ra < 40%에서 bifaical HIT 셀을 능가한다. 일반적인 배경인 잔디, 흰색 콘크리트, 그리고 눈은 Ra가 각각 30%, 60%, 그리고 90%이다.)

배경 반사 산란광 영향을 나타내는 albedo 값이 >40% 일때 일반적인 bifacial HIT 셀에 효율이 높았다. 

참고: Bifacial Si Heterojunction-Perovskite Organic-Inorganic Tandem to Produce Highly Efficient Solar Cell, Reza Asadpour, et al., 

블랙 실리콘 태양전지가 효율을 갱신하다

블랙 실리콘 기술은 실리콘 웨이퍼 맨 꼭대기에 나노 크기의 바늘을 형성시키는 것인데 더 넓은 태양광 스펙트럼(단파장, 300~500 nm)을 포획하고 심지어 저입사각 광 에너지를 이용할 수 있다는 것이 증명되고 있다.

블랙 실리콘의 높은 광흡수는 입사광의 파장 보다 작은 크기의 나노 구조를 이용하여 Si과 공기 계면에서의 굴절률을 점진적으로 매칭시킴으로써 얻는다.

 하지만, 블랙 실리콘은 나노구조의 증가된 표면적에 의한 표면 재결합 증가로 인해 이 이득은 실험실에서만 한정적이다.

블랙 실리콘을 만드는 방법은 laser texturization, plasma immersion ion implantation, metal- assisted wet etching, 그리고 cryogenic deep reactive ion etching(DRIE)이 있다. DRIE는 여러 장점이 있다. 공정이 빠르고 싸고, 결정 배향 의존성이 없고 마스크 층이 필요없다.

(그림 1 ⎜블랙 실리콘의 구조와 반사율. a, 블랙 실리콘의 SEM 이미지. 실리콘 기둥의 일반적인 높이는 ~800 nm이고 바닥 부분의 직경은 ~200 nm이다. 밝게 빛나 보이는 20 nm Al2O3 층이 실리콘 기둥 위에 코팅되어 있다. b, 반사 스펙트럼. 파선은 블랙 실리콘 자체의 반사 스펙트럼이고 검은 실선은 20 nm Al2O3가 코팅된 블랙 실리콘의 반사 스펙트럼이다. 점선은 90 nm Al2O3 가 코팅된 램덤 피라미드의 반사 스펙트럼이다.)

최근 Aalto university와 Universitat Politecnica de Catalunya의 연구자들은 DRIE 방법으로 블랙 실리콘을 만들어 효율 22.1%로 블랙 실리콘 태양전지(p-type float Zone silicon, 280 um, 셀 면적 9 cm2)의 효율 갱신을 했고 Fraunhofer ISE CalLab으로 부터 인증을 받았다.  이 성능은 나노 구조에 ALD 증착 pin-hole-free conformal Al2O3 페시베이션 막을 적용하고 back contact 셀 구조와 통합하여 달성되었다. 특히 Al2O3 막은 우수한 화학적과 전기적 페시베이션을 제공했다.

300 nm 파장에서 외부 양자 효율 96%은 표면 재결합이 더 이상 문제가 되지 않는다는 것을 보여준다. 

(그림 5: 입사각 의존 EQE와 일일/연간 전력 생산 증가. a, 입사각에 따른 b-Si 셀의 EQE. b, 수직 입사 대비 상대 광전류. c, 최적 경사 각도에서 위도 함수로서 Ref. 셀 대비  b-Si 셀의 연간 전력의 상대적인 증가. d, 다른 위치에서(60º Helsinki, 40º Barcelona) 1년에 걸친 일일 전력의 상대 증가)

블랙 실리콘의 저입사각의 태양 복사를 포획하는 능력으로 인해 전통적인 셀에 비해 하루 동안 전기를 더 많이 생산할 수 있다.

이것은 특히 1년의 대부분이 저입사각의 태양 빛이 빛이는 북반구에서 유리하데 겨울철 Helsinki에서 데모 했을 때 동일 효율의 전통적인 셀에 비해 3% 더 전력을 만들어 냈다.

연구자들은 블랙 실리콘 기술을 이용하면 전통적인 반사 방지 코팅이 필요 없기 때문에 제조 비용을 줄일 것으로 기대 하고 있다.

참고: http://phys.org/news/2015-06-solar-cells-energy.html, Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency, Hele Savin, et al., Nature nanotechnology, published online: 18 May 2015 ⎜DOI: 10.1038/NNANO.2015.89

페로브스카이트 태양전지의 상용화에 한 발 더 다가서다

Dyesol사(호주)는 Gratzel 그룹이 1000시간의 light soaking과 2000 시간 이상의 80~85도 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. 특히 ZrO2 막은 광애노드로부터 생성된 전자가 대전극(탄소)으로 역류하는 것을 막아준다.

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

페로브스카이트 태양전지가 기대에 부응할까?

분명 페로브스카이트 태양전지는 누가 보더라도 대단한 태양전지라고 생각할 것이다. 

제조 과정이 간단하고 싸게 만들 수 있을 것 같고 무엇보다 효율이 상용 Si 태양전지 만큼 높기 때문이다. 

그러한 장점이 있지만 쉽게 시장에 나올 수 없는 이유는 아직 대면적으로 만들 수 없고 신뢰성이 좋지 않기 때문이다.  

페로브스카이트 물질은 빛, 공기 그리고 물에 노출되면 특성 열화가 일어난다. 이 신뢰성 이슈를 해결하기 위해 유기 태양전지에 이용되는 봉지 기술을 적용하여 수명을 향상시키고 있다. 이 경우 셀 제조 비용이 높아 질 수 있다. 

응용은 틈새 시장인 스마트 폰 스크린에 페로브스카이트 태양전지를 부착해서 전력을 공급하는 것과 오피스 건물 창문(smart window)에 그것을 부착해서 전력을 생산하는 것이 있다. 이는 페로브스카이트 태양전지의 반투명(담황색)한 특징을 이용한 것이다. 

Oxford PV는 2017년에 35층 짜리 오피스 건물 창문에 페로브스카이트 태양전지를 붙혀 그 건물의 필요 전력의 60%을 생산할 계획을 갖고 있다. 

가장 효과적인 응용은 Si 태양전지와 결합하여 탠덤 태양전지를 만드는 것이다. Sanford 대학은 저급의 Si 태양전지(효율 11.4%)에 페로브스카이트 태양전지(효율 12.7%)를 결합해서 17%의 탠덤 태양전지를 만들었다. 

참고: http://www.nasdaq.com/article/solar-energy-will-perovskite-cells-live-up-to-their-promise-cm486362

역구조 아키텍처가 폴리머 태양전지 효율을 증가시키다

JAIST와 RIKEN Center 연구자들은 세밀하게 디자인된 물질과 역구조 아키텍처을 이용하여 효율 10.1%의 폴리머 태양전지를 개발했다. 

폴리머 태양전지는 폴리머로 만들어지기 때문에 Si 태양전지에 비해 가격이 싸고 가볍다. 또한  플렉서블하기 때문에 유리나 플라스틱 기판에 증착될 수 있어 대면적화기 쉽고 제조 비용이 낮다. 불행히도 그들의 구조에 의해 효율이 낮고 또한 더 빠른 열화가 일어나는 경향이 있다.

(그림 1 ⎜ PNTz4T, quaterthiophene naphthobisthiadiazole(NTz) copolymer의 화학 구조) 

연구자들은 electron-rich(quaterthiophene)와 electron-poor(naphthobisthiadiazole(NTz) 빌딩 블록이 교대로 있는 D-A 폴리머 PNTz4T을 이용하여 활성층의 두께가 약 300 nm(일반적인 활성층의 두께는 70~100 nm이다)인 효율 10.1%의 단일 접합 벌크 이종접합 태양전지를 만들었다. 효율 10%은 상용화를 위한 요구 조건이다.

PNTz4T 폴리머는 저밴드갭 물질이여서 장파장 영역에 흡수 밴드가 있고 이온화 포텐셜이 5.15 eV로 상대적으로 크며 폴리머 백본이 적층 거리가 ~3.5 Å인 𝛑-적층의 층상(lamellar)의 결정 구조를 갖는다. PNTz4T의 높은 결정성과 유리한 백본 방향은 폴리머 태양전지의 효율을 높인다.

(그림 2 ⎜일반적인 구조와 역구조에서의 PNTz4T 기반 셀의 광전지 특. a, b, 최고 셀의 J-V 곡선 (a) EQE 스펙트럼 (b).  c, d, 빛의 세기에 따른 Jsc (c) FF (d). 일반적인 구조: ITO/PEDOT:PSS/PNTz4T:PC61BM or PC71BM/LiF/Al. 역구조: ITO/ZnO/PNTz4T:PC61BM or PC71BM/MoOx/Ag.)

(표 1 ⎜ 최고 PNTz4T 태양전지의 특성 파라미터)



PNTz4T가 포함된 활성층의 두께를 150 nm에서 300 nm 근처로 증가시키면 일반적인 구조인 경우 Jsc는 증가하고 Voc와 FF는 약간 감소한다. 하지만 흥미롭게도 역구조에서는 FF가 증가해서 최고 효율 10.1%을 달성했다.

그들은 역구조 아키텍처(빛이 투명 음극 전극(ZnO)으로 입사한다)일때 일반 아키텍처에 비해 효율이 더 좋다라는 것을 알았다.

그 이유를 알기 위해 그들은 Harima에 있는 SPring-8 싱크로트론 설비를 이용해서 물질의 조성을 분석했는데 역구조 모델 일때 폴리머는 대부분 "face-on" 결정 방향을 가지면서 face-on 결정이 활성층 내부와 top 접촉에 풍부하고 edge-on 결정은 bottom 접촉에 풍부하다는 것과 활성층의 두께가 두꺼울 수록 face-on 결정이 증가한다는 것을 알았다. 이렇게 되면 전자와 홀의 재결합을 감소시키고 그들의 이동을 좋게 하여 Jsc와 FF가 향상된다. 

역구조일 때 face-on 결정이 많은 이유는 활성층이 코팅되는 표면 특성과 관련이 있는데 ZnO 표면이 PEDOT:PSS 표면에 비해 DCB(o-dichlorobenzene)의 젖음성이 크기 때문이다. DCB는 본 연구에서 사용된 PNTz4T/PCBM 잉크를 만들기 위한 용매이다.

(그림 4 ⎜ PNTz4T/PC61BM 혼합 필름의 개략도. a, Bottom과 top interlayer가 각각 PEDOT:PSS와 LiF인 일반적인 셀. b, Bottom과 top interlayer가 ZnO와 MoOx인 역구조 셀. Face-on  결정의 수가 일반적인 셀에 비해 역구조 셀일 때 더 많다. 두 경우 모두, edge-on 결정의 개수가 bottom에서 많고 face-on 결정의 개수는 top 계면으로 갈 수록 많다.)

두꺼운 활성층 두께를 갖는 PNTz4T 기반 역구조 셀의 현저하게 높은 성능은 매우 높은 수직 홀 수송 특성(μ(h) = 2.3 × 10^-3 cm^2 V^-1 s^-1)과 잘 균형 잡힌 홀과 전자 수송 특성과 관련이 있다.

높은 수직 홀 수송 특성은 짧은 𝛑-𝛑 스택 거리와 face-on 결정 방향을 갖는 높은 결정 구조에서 기인한다.

참고: http://www.asianscientist.com/2015/06/in-the-lab/inverted-architecture-boosts-polymer-solar-cell-efficiency/. Efficient inverted polymer solar cells employing favourable molecular orientation, Varun Vohra, et al., Nature Photonics, VOL 9, JUNE 2015.