해닝턴 교수의 과학 말하기: 플라스틱 태양전지로 19.3% 효율 기록

May 08, 2023

에너지원이 화석 연료에서 보다 환경 친화적인 에너지원으로 이동함에 따라, 집에 전력을 공급하거나 전기 자동차를 충전할 수 있는(또는 나중에 재정적으로 회수할 수 있는 일종의 그리드에 전기를 배치할 수 있는) 저비용 태양 전지에 대한 탐구가 이루어지고 있습니다. it)이 점점 더 열정적으로 진행되고 있습니다.

바로 이번 주에 유기형 태양전지의 전력 효율이 크게 향상되었다고 발표되었습니다. 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재된 홍콩이공대학교 리강(Li Gang) 교수 연구팀은 전력 효율이 거의 20%에 달하는 고분자 태양전지 제조 방법을 발표했다. 이는 현재까지 최고의 실제 실리콘 태양전지인 Kaneka Corporation이 개발한 26.7%의 변환 효율을 기록한 태양전지의 뒤를 잇는 것입니다. 특수한 단결정 어레이로 구성된 것은 적절한 기판에 재료를 스퀴징하여 쉽게 제작할 수 있는 폴리머 유형과 달리 제작 비용이 매우 많이 듭니다. 2016년의 일인데 아직도 그 기록이 남아있습니다.

홍콩 팀이 어떻게 그러한 위업을 달성할 수 있었는지 이해하려면 조금 뒤로 물러서서 햇빛을 에너지로 바꾸는 것과 관련된 개념을 빠르게 검토해야 합니다. 1839년 Edmond Becquerel이 처음으로 광전지 효과를 입증했지만 전기화학 전지를 사용했지만 아마도 우리에게 가장 친숙한 종류는 재충전 가능한 정원 조명 및 계산기에 사용되는 표준인 실리콘 전지일 것입니다. 이 소자의 기술은 70년이 넘었을 정도로 잘 알려져 있기 때문에 이것들은 모두 실리콘 장치입니다.

실리콘 태양전지는 내부에 두 개의 층으로 구성되어 있는데, 하나는 P형, 다른 하나는 N형이라고 합니다. P형 실리콘은 실리콘보다 외부 에너지 준위에서 전자가 하나 적은 붕소나 갈륨과 같은 원자를 추가하여 생성됩니다. 붕소는 주변 실리콘 원자와 결합을 형성하는 데 필요한 것보다 전자가 하나 적기 때문에 전자 공극 또는 "정공"이 생성됩니다.

n형 실리콘은 인과 같이 실리콘보다 외부 준위에 전자가 하나 더 많은 원자를 포함하여 만들어집니다. 인의 외부 에너지 준위에는 4개가 아닌 5개의 전자가 있습니다. 실리콘에는 전자가 4개 있지만 결정 구조에서 붕소나 인과 쉽게 결합됩니다. 그러나 인에는 여분의 전자가 있기 때문에 전자가 결합에 관여하지 않고 대신 실리콘 구조 내부에서 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 결정은 약간 음전하를 띕니다. 전하 캐리어가 됩니다. 붕소 도핑된 영역에서도 마찬가지입니다. 거기에 형성된 "구멍"(실제로는 누락된 결합)은 누락된 결합이 이동하고 긍정적인 실체로 작용할 수 있기 때문에 전하 운반체 역할도 할 수 있습니다. N 영역이 P 영역 옆에 배치되면 이러한 여분의 전자와 정공 중 일부가 다시 서로를 찾고 이러한 이동 전하가 없는 공핍 영역이 형성됩니다.

하지만 이 무인지대 고갈지대에 대한 흥미로운 부분은 다음과 같습니다. 붕소와 인 원자가 그대로 있기 때문에 고갈지대의 N형 쪽에는 이제 (인 원자에서 나온) 양전하를 띤 이온이 포함되고 P 쪽에는 이제 양전하를 띤 이온이 포함됩니다. 붕소 원자로부터 음전하를 띤 이온을 함유하고 있으며, 이는 전자와 정공의 추가 혼합을 방지하는 내부 전기장을 생성합니다. 그러나 햇빛이 PN 접합에 닿으면 실리콘의 전자가 방출되어 "홀"이 형성됩니다. 공핍 영역의 전기장에서 이런 일이 발생하면 전자는 n형 층으로, 정공은 p형 층으로 이동합니다.

n형 층과 p형 층의 바깥쪽 영역을 금속 와이어로 연결하면 전자가 이동하면서 전기의 흐름이 발생합니다. 일반적인 실리콘 크리스탈 셀은 밝은 햇빛에서 약 0.6V를 생성하며 일반적인 휴대폰 면적에 해당하는 셀에 1암페어의 전류를 공급할 수 있습니다. 더 높은 전압을 얻으려면 많은 셀을 직렬로 배치하면 됩니다. 단결정 태양전지의 와트당 평균 비용은 약 1달러입니다.

회색 태양전지 상단을 내려다보면 위의 모든 작업이 일어나는 PN 접합까지 바로 볼 수 있습니다.