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 현재 보다 효율 좋은 광전환율을 얻기 위한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 이러한 연구는 나노 크기 태양 전지의 기본적인 요소로 전자 움직임이 3차원에서 모두 걷혀있는 2-10 나노미터 직경 (약 10-50 원자들) 내 반도체 나노 결정들인 양자점들에 집중되어왔다.
때때로 인공 원자들로 불리는 카드뮴, 아연, 텔루륨, 황 및 다른 화합물들로 구성된 나노 입자들은 단일 전자를 더하거나 제거함이 확연한 변화를 보여줄 정도로 아주 작다. 이러한 특성은 진보된 태양 전자의 성분과 고체 상태 조면, 의료 센서들과 다른 응용들에서 이 나노 입자들이 적합하도록 해준다.
특히, 프리커서, 유기 계면활성제, 용매들로 구성된 3가지 성분 시스템으로부터 합성된 콜로이드 양자점(CQD)들은 필요에 따라 광전 구조들 내에 그들의 스펙트럼 반응이 크기 변화에 의해 조절될 수 있다. 현재 토론토 대학 전자공학과 연구원들은 리드(II) 설파이드(PbS), 단일 콜로이드 양자점 물질의 크기 효과 조절을 이용하여 태양 전지인 CQD 텐뎀 태양 전지를 실현했다. 이 태양 전지는 더 좋은 전체 효율을 주는 더 좁은 스펙트럼에 최적화된 각각의 소자들에 허락된 더 많은 소자들을 부가시킨 일련의 연결된 태양 전지이다. CQD 박막을 조절하는 능력은 현재 31%에서 42%, 49%로 태양 전지 전환 한계를 향상시킨 다른 크기의 CQD들이 결합하여 제조된 텐뎀, 다중 접합 태양 전지를 만들 수 있게 해준다.
치후아 왕, 가다 I. 콜레이렛, 다른 토론토 대학 연구원들과 함께 에드워드 H. 사젠트 교수가 이끄는 이 연구는 이전 CQD 광전 연구에 의해 부딪쳤던 앞과 뒤 전지들 사이 연결 지점인 접합의 주된 결여 부분에 의해 방해된 문제들을 극복했다. 이 전 연구에서 앞면에서 가시광 밴드갭 셀과 뒷면 적외선 밴드갭 셀 전류들이 효율적으로 조화되고 각 셀에서 전압들을 성공적으로 합한 콜로이드 양자점 태양 전지 결과는 아직까지 없었다고 사젠트 교수가 말했다. 연구팀은 앞면 셀 능동성이 뒤 셀의 능동성으로 점진적으로 전환하는 연속적인 물질들을 통해 기본적으로 어떠한 성능 손실없이 앞, 뒤 셀들을 연결하는 점진적인 결합층을 지칭한 새로운 기술을 개발했다.
중요한 것은 이 물질층이 매우 투명하여 제일 효율적인 콜로이드 양자점 텐뎀 셀을 만들기 매우 효과적이라는 것을 입증했다는 것이다. 여기서, CQD 광전소자에서 주요한 진보 요구는 콜로이드 양자점 층 내에서 향상된 이동성이다. 이는 단일 접합과 다중 접합 태양 전지 모두에서 이점이 있을 것이다.
응용의 측면에서, 일단 현재 CQD 광전소자의 최고 기록인 5.6%로 10% 태양 전력 전환 효율을 초과하면, 저가로 플랙시블, 대면적 태양 전지 개발에 매질할 계획이라고 사젠트 교수가 지적했다. 특별히, 낮은 물질, 제조 단가를 유지하며 이 연구팀의 목표 효율은 와트*피크 당 전체 설치 비용에서 인상적인 개선을 초래할 것이다.
양자점 내 3D 구속된 전자 파동 함수. 여기서, 직사각형 도트들 내 에너지 상태들은 더 s-형과 p-형이다. 그러나, 삼각형 도트 내에서 파동 함수는 구속 대칭으로 혼합되었다.
CQD 광전 소자는 크기 확대가 필요로 할 것이다. R&D 연구소에서 조차, 완전한 광 흡수체로 평방 미터 표면을 채우기 위해 각 단계에서 콜로이드 양자점들을 충분히 합성하고 있다. 다음 단계는 대면적 룰투룰 공정에 호환되는 최종 박막 처리 방법들을 개발하는 것이다.
스탠포드 대학의 광자 향상 열이온 발생 (PETE) 연구와 얼마 정도 겹치는 부분이 있다고 사젠트 교수가 말했다. PETE는 광전 전환율을 잠재적으로 두배가 되게 하는 태양 열 시스템들을 위한 톱핑 주기들로서 이용되는 열을 전기로 전환하는 열이온 소자들의 에너지 전환 효율을 증가시킨다. 이 연구팀의 접근방법들이 일반적으로 가지는 것은 스펙트럼을 두 성분으로 나누는 것이다. 즉, 더 큰 에너지 가시광과 더 낮은 에너지 하지만 충분한 광자 플루언스 혹은 플럭스인 적외선이다. 여기서, PETE 연구와 중요한 차이점들은 이 연구팀의 접근법은 광학 집중기가 필요없다는 것이다. 또한, 이 연구팀의 소자는 일반적인 주변 온도에서 최상으로 작동하지만 PETE는 양극이 600-800ºC에서 작동할 필요가 있다는 것이다.
이 연구팀의 연구에서 다음 단계들은 10% 태양 전력 전환 효율을 초과한 저온 공정, 플랙서블, 저가 태양 전지들을 만드는 목표를 가지고 콜로이드 양자점 박막들 내부로 전자와 홀 이동을 향상시키는 연구에 매진할 계획이다.
그림 설명: 콜로이드 반도체 나노 결정들은 자외선을 발생한다. 양자 구속은 나노 결정의 크기로 변화시키는 밴드갭을 유발한다. 각 병은 액체 용매 내에 분산된 나노 결정들의 단순 분산 샘플을 포함한다.
참고 자료: Tandem colloidal quantum dot solar cells employing a graded recombination layer, Nature Photonics 5, 480?484 (2011), Published online 26 June 2011, doi:10.1038/nphoton.2011.123
출처 : http://www.physorg.com/news/2011-08-tiny-tech-big-results-quantum.html |