HOME > Community > Gallery

박막 태양광발전 디바이스 메커니....

목록
박막 태양광발전 디바이스(Thin film photovoltaic device)는 원가가 저렴하고 효율성이 높으며 가공하기 쉽고 플렉시블한 동시에 휴대하기 편리한 등 강점을 보유하고 있기 때문에 응용 전망이 제일 밝은 신형 태양전지에 속하고 있는 동시에 과학기술계와 산업계의 폭넓은 관심을 받고 있는 상황이다. 

태양광발전 디바이스 내부의 에너지 레벨 배열 분포가 어떻게 디바이스 작업 메커니즘에 영향을 끼치고 있는가는 중요한 연구 과제에 속하고 있다. 예를 들면 광 생성 캐리어 분리, 전송, 복합과 수집 등 기본 과정에 대한 연구는 중요한 과제에 속하고 있다. 

이런 상황 때문에 디바이스의 에너지 전환 효율에 대한 연구도 연구 이슈가 되고 있는 상황이다. 하지만 현재까지 디바이스의 에너지 레벨 배열 분포에 대해 효과적인 표면 특성 분석을 실행하지 못하고 있는 상황이다. 특히 디바이스 작업 상태에서 이런 분석은 더욱 도전적인 과제가 되고 있는 상황이다. 

중국과학원 수저우(蘇州) 나노 기술 및 나노 바이오닉 연구소 천리워이(陳立桅) 연구원 연구팀은 최근 박막 태양광발전 디바이스 에너지 레벨 배열 분포에 대한 정략적 관측 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 

연구팀은 유기 태양광발전 디바이스를 프로토타입 디바이스로 사용하고 이온 빔 단면 샘플 제조 방식을 이용하여 고품질의 디바이스 단면을 개발하였다. 동시에 스캐닝 켈빈 프로브 현미경을 이용하여 단면 전위 분포를 측정하였는데 동 전위 분포와 전자 전하를 곱하여 디바이스 진공 에너지 레벨 배열 분포를 취득하였다. 

하지만 핀 포인트 사이즈와 캔틸레버(Cantilever) 팔 간섭으로 발생하는 회선(Convolution) 효과에는 계통적인 오류가 도입되어 실제 측정 에너지 레벨은 실질적인 데이터 수준보다 매우 낮아지게끔 한다. 

이런 상황에 근거하여 연구팀은 최초로 일종 바이어스 보정 방법을 제시하고 동 방법을 이용하여 에너지 레벨과 관련된 디바이스 매개 변수에 대한 정량적 측정을 실행하였다. 예를 들면, 오픈 회로 전압, 내부 구축 전위와 전극 전위가 떨어지는 등 상황에 대한 정량적 측정을 실행하였다(그림 1. 참조). 

연구팀의 관련 연구 성과는 세계적 저명 학술지 사이언스(Science)와 과학학술지인 네이처(Nature) 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)에 게재되었다(Nature Communications 6:7745 (2015)). 

이번 연구는 중국과학원 수저우(蘇州) 나노 기술 및 나노 바이오닉 연구소의 ‘박막 태양전지 연구’의 한 부분으로 되고 있다. ‘수저우(蘇州) 나노 과학기술 협동 센터(국가교육부 2011 프로젝트)’의 지원을 받아 중국과학원 수저우(蘇州) 나노 기술 및 나노 바이오닉 연구소 산하 ‘에너지 나노 기술 분(分) 센터’ 연구인원(천리워이(陳立桅), 마창치(馬昌期), 루쑤룽(陸書龍) 등 연구원 위주)들은 유기 반도체, 무기 반도체, 유기 금속 페로브스카이트에 기반한 실용형 박막 태양전지 개발을 실행하였으며 중국과학원 수저우(蘇州) 나노 기술 및 나노 바이오닉 연구소 산하 ‘프린팅 전자학 연구부’와 ‘국제 실험실’과 공동 연구를 실행하였다. 

중국과학원 수저우(蘇州) 나노 기술 및 나노 바이오닉 연구소 산하 ‘태양전지 연구 센터’는 지난 2014년도에 1.2 cm2의 디바이스 면적 상에서 5.85% 수준에 달하는 에너지 전환 효율을 실현하여 1cm2를 초월하는 유기 태양광발전 디바이스의 에너지 전환 효율 기록을 갱신하였다(그림 2. a-b). 동시에 동 디바이스는 산화 인듐 주석(ITO)을 포기한 투명 플렉시블 그리드 실버 하이브리드 전극(전극 기판은 수저우(蘇州) 나거(納格) 광 전기 기술 유한회사에서 제공함)을 사용하였다. 

연구팀은 실용 타입의 디바이스 제조 기술, 디바이스 안정성(그림 2. c)과 패키지 기술에 대한 연구를 중점적으로 추진하였다. 연구팀은 최근 페로브스카이트와 III-V족 반도체에 기반한 효율적이고 면적이 큰 박막 태양전지 연구를 중점적으로 추진하고 있는 상황이다. 

연구팀의 관련 연구 성과는 Nano Energy, Solar Energy Materials & Solar Cells, Solar Energy Materials & Solar Cells 등 여러 학술지에 게재되었다(Nano Energy 10, 259 (2014); Solar Energy Materials & Solar Cells 113, 85 (2013); Solar Energy Materials & Solar Cells, 143, 354 (2015)). 

이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 장수성(江蘇省) 자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 수저우(蘇州) 나노 협동 혁신 센터 및 중국과학원 수저우(蘇州) 나노 기술 및 나노 바이오닉 연구소 연구개발 비용과 관련 연구개발 인프라 지원을 받아 실행되었다. 

그림 1. (a) 스캐닝 켈빈 프로브 현미경을 이용하여 박막 태양광발전 디바이스 단면을 관측하는 원리도임. (b) 유기 태양광발전 디바이스 단면 스캐닝 전자현미경 그림임. (c) 어두운 상태 하에서의 유가 태양광발전 디바이스 전위도임. (d) 바이어스 보정법을 이용하여 디바이스 에너지 레벨 배열 분포에 대해 정량적 측정을 실행하는 원리도임. 

그림 2. (a) 투명 플렉시블 그리드 실버 하이브리드 전극에 기반한 대 면적 유기 태양광발전 디바이스의 광학 사진 및 원리도임. (b) 대 면적 유기 태양광발전 디바이스의 전류-전압 곡선임. (c) 다양한 하이브리드 전극의 대면적 유기 태양광발전 디바이스가 대기 속에서의 안정성에 대한 측정 테스트임. 
출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

Comments