새로운 에너지 전달 물질이 태양전지를 진보시키다

여러 대학(UC San Diego, MIT, Havard University)이 공동 연구를 통해 새로운 에너지 운반 입자를 설계하고 합성했다. 그 입자는 topological plexcitons이라고 하는데 exciton 에너지 전달(exciton energy transfer, EET) 과정을 통해 전자가 더 잘 수송되게 하여 새로운 형태의 태양전지의 개발에 쓰일 수 있다. 

많은 연구자들은 EET의 단거리 본성(10nm)에 의해 애를 먹었다. 더우기 exciton[ Exciton은 유기 태양전지에서 에너지의 이동 첫 단계의 주요 선수이다.]은 다른 분자와 상호작용하여 에너지가 빠르게 소멸된다.  

연구팀은 excitons과 excitations을 혼성화하여 exciton을 더 멀리 보낼 수 있는 길을 열었다. Excitations은 plasmons이라고 불리는 매우 파동적인 성질을 갖고 있다.  

Plasmons과 excitations은 plexcitons이다. Plexcitons은 매우 주목을 받고 있는데 물질과 파동 성분 모두 갖고 있어 화학적 반응을 겪을 뿐아니라 포톤과 같이 매우 빠르게 움직인다.   

   Plexcitons은 모든 방향을 따라 움직이는 것이 단점이다. 이 문제를 해결하기 위해 toplogical insulators를 생각해 냈다. 이 물질은 완벽한 벌크 상태에서는 절연체이지만 에지에서는 완벽하게 한 방향 금속처럼 거동한다. 즉 도폴로지적으로 보호된 에지 상태를 갖고 있는 것이다. 

이 절연체를 이용해서 인가 전기장에 따라 왼쪽으로만, 오른쪽으로만 움직이는 topological plexictons을 만들었다. 놀라운 사실은 그 물질 안에 불순물이 있어도 한 방향으로 움직이는 에너지는 뒤로 튕기지 않는다는 것이다. 

이 연구로 부터 새로운 종류의 태양전지의 서로 다른 구성 요소에서 선택적으로 에너지를 부여하는 plexcitonic 스위치를 만들 수 있을 것이다. 

참고: http://www.designnews.com/author.asp?doc_id=280745

Imec이 높은 값의 bifaciality 셀을 개발하다

Imec은 2016 Intersolar에서 bifaciality가 97%에 달하는 bifacial 태양전지를 발표했다. Bifacial 셀은 빛을 셀 양면에서 받아들이기 때문에 효율을 상당히 증가시킬 수 있다. Bifacial 셀은 전통적인 유리 백시트 모듈과 결합될 수 있다. 이 구성일 때 백시트에서 적외선의 산란 혜택을 얻는다. 이 혜택은 후면 전극 반사체 부족과 셀 사이 갭에서의 빛 반사를 보상한다. 

Imec의 bifacial n-PERT(BiPERT)은 매우 얇은(<5 um) Ni/Ag 도금 접촉이 특징이다. 셀 양면이 Ni/Ag 접촉으로 되어 있고 busbar가 없다. 또한 multi-wire interconnection 기술 적용으로 음영과 금속 접촉 면적을 줄였다.

BiPERT 태양전지(n-type Cz-Si, 239cm2)의 후면으로 부터 측정된 전류는 39.8 mA/cm2이고 전면으로 부터는 41.2 mA/cm2으로 bifaciality 값은 80~90%이다. 

더우기, 후면 이미터 구조인 BiPERT 셀은 전면 광 조사와 반사 척 없이 22.6%가 넘는 뛰어난 효율을 나타냈다. 

향후, Imec은 셀 공정 최적화와 전면 이미터 구조를 채용하여 셀 효율과 에너지 생산량을 더욱더 증가시킬 계획이다. 

참고: http://www.electronics-eetimes.com/news/solar-cells-high-bifaciality-developed

Oxford PV 페로브스카이트-Si 탠덤 태양전지 효율 21.3% 발표

Oxford PV는 페로브스카이트와 Si을 일체화한 셀 크기 10 cm2, 효율 21.3%의 탠덤셀을 만들었다. 여기서 개별 셀 효율은 페로브스카이트 15%, Si 태양전지 17%이다.

페로브스카이트에 대한 인상적인 연구가 현재까지 있어왔지만, 대면적에서 Si 태양전지를 능가하는 효율을 일관성있게 증명하지 못했다.

Oxford PV는 Si solar cell의 효율 보강에 페로브스카이트를 이용하는 것을 최선의 전략으로 믿고 있다.

이번의 효율 21.3% 페로브스카이트-Si 태양전지 탠덤 셀 개발은 Si solar cell 메이커의 큰 관심을 끌만하다.

하지만, 페로브스카이트의 특정 성분은 열과 습기에 노출되면 쉽게 열화되기 때문에 25년 수명을 보증하지 못한다. 이를 해결하지 못하면 페로브스카이트의 미래는 없다.

Oxford PV는 거의 1년동안 페로브스카이트 안정성 향상 연구에 집중하고 있다.


참고:http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/11/perovskite-boosts-silicon-solar-cell-efficiency

하이브리드 태양전지를 위한 새로운 접근

TUM과 LMU의 과학자들은 매우 얇고 깃털 처럼 가볍고 결정처럼 단단한 벌집 구조의 다공성 Ge 반도체 층을 개발했다.

(고 다공성 Ge 나노필름에 적당한 폴리머로 채워 하이브리드 태양전지를 만들다)

(폴리머 템플레이트 제거 후 Ge 구조의 전자현미경 이미지)

이 다공성 반도체 층과 유기 폴리머가 결합되면 유기 태양전지의 효율과 안정성이 크게 향상될 전망이다. 다공성 Ge 반도체 층은 전기적 특성 제어가 쉽고 열과 빛에 약한 유기 폴리머를 보호 할 수 있기 때문이다.

새로운 물질은 벌집 구조의 다공성 발판으로 생각할 수 있다. 벌집을 이루는 벽은 전하를 생산하거나 저장할 수 있다. 또한 벽이 매우 얇기 때문에 전하는 short path로 흐를 수 있다.

다공성 Ge 층을 만들기 위한 일반적인 방법은 화학적 또는 전기화학적 에칭 공정을 이용하는 것이다. 하지만 이 top-down 접근은 다공성 구조와 표면 상태 제어에 한계가 있다. 

그들은 [Ge9]4- zintl 클러스터를 전구체 이용했다. zintl 클러스터는 알칼리 또는 알칼리 토금속과 p-block (반)금속 사이의 intermetallic 화합물에서 나타나는  polyanionic cage이다. 이 클러스터는 전기적으로 대전되어 있어 용해 상태에서는 서로 반발한다. 클러서터의 가교(cross-linking)는 용매가 증발하면 일어나는데 500 °C 열을 가하거나 GeCl4을 첨가해서 화학적으로 얻을 수 있다. PCl3을 첨가하면 Ge을 도핑시킬 수 있다.

Ge 클러스터로 원하는 다공성 구조를 만들기 위해 그들은 첫번째 단계로 50~100 nm 지름의 PMMA 구슬을 뿌려 3 차원 템플레이트를 형성했다.

그런 후, K4Ge9 용액을 구슬 사이의 갭에 채웠다. Ge 네트워크가 구슬 표면 위에 형성되자마자 열로 템플레이트를 제거한다. 결국 다공성 나노필름이 남는다.

참고: https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/short/article/32787/

포톤 에너지 손실이 적은 폴리머 태양전지

폴리머 태양전지(PSCs)가 직면한 중요한 문제는 어떻게 폴리머/플러렌 혼합물의 에너지 준위를 제어해서 Jsc와 Voc를 동시에 최대로 하느냐이다. 하지만 Jsc와 Voc 사이에 상충관계에 있다는 것은 잘 알려진 사실이다.

이 상충관계의 해결은 포톤 에너지 손실(Eloss)을 줄이는 것이다. Eloss는 Eg - eVoc 이다. 여기서 Eg는 반도체 폴리머의 광 밴드갭이다. 최근 보고된 고효율 PSCs의 Eloss는 보통 0.7~1.0 eV 이다. 이것은 무기 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 0.4~0.5 eV에 비해 크다.  

아주 최근 밴드갭 1.47 eV의 pyridylthiadiazole 기반 폴리머 태양전지에서 Eloss 0.6 eV와 Voc 0.86 V을 얻었다. 바로 직후 Eg 1.44~1.53 eV의 DPP-2Tz을 사용해서 Eloss를 0.55 eV로 감소시켜 Voc를 0.92 V로 높혔다. 이들 폴리머는 잠재적으로 Voc와 Jsc 모두 높은 값을 낼 수 있지만 Voc와 Jsc의 상충관계로 인해 Jsc가 상대적으로 낮아 효율은 5~6%로 제한됐다. 

Jsc와 Voc의 상충관계는 폴리머와 플러렌 사이의 분자 오비탈 준위의 매칭과 관련이 깊다. Jsc와 Voc 둘 다 높은 값을 얻기 위해 폴리머의 Eg 작고 HOMO 준위는 깊어야 한다. 하지만 이는 불가피하게 LUMO 에너지 준위를 낮추어 폴리머와 플러렌 사이의 LUMO의 에너지 오프셋을 감소시켜 광유도 전하 분리가 효과적으로 일어나지 않는다.  

(그림 1 ⎜폴리머의 구조와 특성. (a) PNTz4T와 PNOz4T의 화학 구조. (b)Chlorobenzene 용액으로 부터 스핀 코팅된 PNTz4T와 PNOz4T 박막의 자외선-가시광 흡수 스펙트럼. (c) PNTzNT, PNOz4T 박막, PC61BM와 PC71BM 용액의 cyclic voltammograms. (d) Cyclic voltammetry로 부터 예측된 PNTzNT, PNOz4T, PC61BM 그리고 PC71BM의 에너지 다이아그램.) 

최근, 그들은 좁은 밴드갭 D-A 폴리머 PNTz4T를 이용해서 Jsc 19.4 mA/cm2, Voc 0.71~0.74 V, 효율 10.1%을 얻었다. Voc가 제한적인데 그 이유는 HOMO 에너지 준위가 -5.15 eV로 적당히 깊기 때문이다. 결과적으로 이 시스템의 Eloss는 0.82~0.85 eV였다. 

이번에 그들은 좁은 Eg 1.52 eV와 깊은 HOMO와 LUMO 에너지 준위를 갖는 D-A 폴리머 PNOz4T(quaterthiophene+NOz)와 PCBM을 결합해서 Voc가 ~1 V이고 효율 8.9%인 역구조 PSCs(ITO/ZnO/PNOz4T:PCBM, ~200 nm/MoOx/Ag)을 만들었다. 여기서 가장 중요한 것은 Eloss가 0.52~0.56 eV로서 무기 태양전지의 값에 도달한 것이다. 또 하나 흥미로운 것은 PNOz4T/PCBM 시스템의 에너지 오프셋이 ~0.1 eV 밖에 안되는 되도 효율이 높은 것이다.

(그림 2 ⎜PNOz4T 기반 셀의 광전지 파라미터)

PNOz4T:PC61BM = 1:1에서 상당히 높은 Voc 1 eV을 보이고 PC61BM 비가 높아지면 Voc는 약간 감소하지만 Jsc가 상당히 커진다는 것을 알 수 있다. PNOz4T 시스템이 보고된 PSCs 중에서 Eloss가 가장 낮다는 것은 명백하다. 낮은 Eloss 뿐아니라 큰 Voc가 좁은 Eg의 PNOz4T에서 달성된 것이다. 

(표 1 ⎜PNOz4T 기반 셀 파라미터)

그들은 분광 연구를 통해 작은 에너지 오프셋이 전하 분리 과정에 있어서 제한 요인이 아니다라는 것을 알았다. 이 결과는 Jsc와 Voc 사이의 상충 관계 이슈를 해결하여 효율15% 실현에 길을 열 것이다.  

참고: High-efficiency polymer solar cells with small photon energy loss, Kazuaki Kawashima, et al., NATURE COMMUNICATION⎜6:10085⎜DOI:10.1038/ncomms10085⎜

페로브스카이트 태양전지의 안정성이 금속 산화물 샌드위치로 향상되다

페로브스카이트 물질이 공기(산소) 중에 노출되면 몇 일 몇 시간 내에 파괴된다. 또한 습기(물)에 노출되면 더 빨리 열화가 일어난다. 이는 페로브스카이트의 흡습성 때문이다. 

몇몇 층이 인자가 일반적 페로브스카이트 스택을 빠르게 열화시킨다. 가장 중요한 것은 범용인 상부 유기 버퍼 층이다. 이 버퍼 층은 안정성이 나쁘고 공기 내의 습기로 부터 페로브스카이트를 효과적으로 보호할 수 없다. 

(a, NiOx 표면 위에 2단계 용액 공정으로 성장된 페로브스카이트의 SEM 이미지. b, ZnO 막으로 코팅된 페로브스카이트의 SEM 이미지. c, 유리/ITO/80 nm NiOx/320 nm 페로브스카이트/70 nm ZnO 구조의 셀의 단면 이미지)

Yang 팀은 이 유기 버퍼 층을 p형 NiOx 나노입자 층으로 대체했다. 

그들의 셀 구조는 p-i-n(유리/ITO/p-NiOx/i-페로브스카이트/n-ZnO/Al)이다. 여기서 ZnO 층은 페로브스카이트층과 Al 층을 분리시켜 열화를 억제한다.

새로운 구조의 셀 초기 효율은 14.5 +- 1.5%이고 최고 효율(인증 안 받음)은 16.1%이다. 

새로운 구조의 셀을 실온과 공기 중에 60일 방치했을 때 초기 셀 효율의 90%가 유지됐다. 반면, 유기 버퍼 층으로 만들어진 셀은 단지 5일 만에 완전히 열화가 일어난다. 

그들의 다음 단계는 금속 산화물 층을 더 응축시켜 더 잘 밀봉하는 것이다.


참고: http://newsroom.ucla.edu/releases/next-generation-perovskite-solar-cells-made-stable-by-metal-oxide-sandwich

페로브스카이트-Si 탠덤 태양전지의 효율 갱신(효율 18%)

Helmholtz-Zentrum Berlin(독일)과 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(스위스) 팀은 효율 18%의 페로브스카이트-Si 탠덤 셀을 만들었다.  

페로스카이트 층은 청색광을 효율적으로 흡수한다. 반면, Si 층은 적색광과 NIR 광을 효과적으로 흡수한다. 하지만 이 두 층을 한 덩어리로 만들기는 쉽지 않다.  

일반적으로 높은 효율의 페로브스카이트 셀을 위해 500도로 소결된 TiO2 층 위에 페로브스카이트를 코팅할 필요가 있다. 하지만 그런 고온은 Si 이종접합 태양전지에서 Si 웨이퍼에 코팅된 a-Si 층을 열화시킨다.

(Si 이종접합 태양전지가 bottom 셀을 위한 기반을 제공한다. 매우 얇은 투명 SnO2가 이 bottom 셀 위에 증착된다. 그 뒤 500 nm 두께의 페로브스카이트 물질과 200 nm 두께의 spiro-OMeTAD 홀 전도체 물질이 코팅된다. 박막 MoO3가 홀 전도체와 투명 상부 전극 ITO 사이에서 보호층으로서 역할을 한다.)  

  

그들은 처음으로 선택적 전자 접촉을 TiO2 대신 저온 SnO2을 증착(atomic layer deposition)해서 위 문제를 해결했다. 

이 탠덤 셀에서 중요한 층은 선택적 홀 접촉을 위한 투명한 top 접촉 층이다. 보통 금속 산화물이 스퍼터링 증착된다. 이때 페로브스카이트과 홀 전도체 물질을 손상시킨다.  

그들은 제조 공정을 수정하고 투명한 보호층으로서 MoO3를 삽입해서 위 문제를 해결했다.

이 탬덤 셀의 효율은 18%이다. 개별 셀 효율에 비해 20% 더 높다. 지금 까지 보고된 탬덤 셀 중에서 가장 높으며 Voc가 1.78 V이기 때문에 물 전기 분해을 통해 수소 생산에 이용될 수 있다. 

이번의 탬덤 셀은 연마된 Si 표면 위에 페로브스카이트를 코팅했다. 이는 반사 손실로 나타나 bottom 셀에서 만들어지는 광전류 손실을 야기한다. 만약 Si 표면이 텍스처링 된다면 효율은 25% 또는 심지어 30%으로 향상될 것이다. 

사실 효율 최대화 보다 더 중요한 것은 어떻게 이 기술이 기존 기술과 통합될 것인가 이다. Si 태양전지 기술은 태양전지 시장의 90%을 차지한다. 이는 잘 확립된 생산 시설이 많다는 것을 의미한다. 하지만 페로브스카이트 층을 추가하기 위한 생산 시설은 따로 개발 될 필요가 있다. 

Top 셀인 페로브스카이트 셀의 장기 안정성과 납 제거는 앞으로 해결해야 할 과제이다. 

참고: http://cleantechnica.com/2015/11/12/tandem-perovskite-silicon-solar-cell-efficiency-record-broken/