나노기술 및 염료감응 태양전지

나노기술 및 염료감응 태양전지

광전지는 3세대를 거쳐 발전해 왔으며 가장 최근의 3세대 태양 전지(색소 감응형 태양 전지, DSSC)는 주로 고급 나노 물질을 포함하고 태양 전지 제조 비용이 절감될 것이다.

 

 

염료감응형 태양전지(DSSC)란?

DSSC는 반투명하고 유연하며 효율적인 박막 태양 전지로, 경질 실리콘 기반 태양광 시스템에서는 불가능한 다양한 응용 분야를 가능하게 한다. DSSC는 저조도 및 흐린 조건에서도 작동한다. 또한, 그들은 더 저렴하고 생산이 간단하며 유연한 기판과 호환되며 가장 중요하게는 일반 실리콘 기반 태양 전지판보다 표면적당 더 많은 햇빛을 흡수한다. 액체 전해질 DSSC의 포르피린 염료를 기반으로 하여 2014년에 최대 13%의 전력 변환 효율(PCE)이 보고되었다.

 

DSSC의 구조 및 작동 원리

표준 DSSC는 투명 전도성 산화물(TCO) 유리 기판, 염료, 광양극(일반적으로 이산화티타늄(TiO2) 나노입자), 전해질 및 백금 기반 상대 전극으로 구성된다. 작동 메커니즘은 다음과 같다. 첫째, 햇빛이 투명 전극을 통해 들어가 염료층 내의 전자를 들뜨게 하고, 이 전자는 TiO2의 전도 대역으로 흐른다. 이 전자는 외부 회로를 통해 가져온다. 외부 회로를 통과한 후 상대 전극으로 공급되어 전해질로 흐른다. 그런 다음 전해질은 전자를 염료 분자로 다시 전달하여 산화된 염료를 재생한다.

 

DSSC는 아직 상용화된 Si 기반 태양 전지의 효율 수준(25% 이상)을 달성하지 못했지만 나노 기술의 도움으로 Si 기반 태양 전지보다 높은 효율을 달성할 수 있는 잠재력이 있다. 새로운 나노구조, 특히 그래핀 및 그 유도체, 양자점, MXene은 우수한 광전자, 기계적, 열 및 화학적 특성으로 인해 더욱 매력적이다.

 

염료감응 태양전지의 그래핀

가장 일반적인 투명 전극 중 하나는 ITO(인듐 주석 산화물)이다. 반면에 ITO 필름은 일반적으로 고온에서 부서지기 쉽고 불안정하다. 높은 전자 이동도와 투명도(>90%) 때문에 그래핀은 ITO의 비용 및 성능 제한을 해결하기 위한 가능한 대체 재료로 탐색되고 있다. 연구원들은 이전에 그래핀 기반 재료를 투명 전도성 전극으로 사용하여 8.44%의 PCE를 달성했으며, 이는 표준 ITO 투명 전극 기반 장치보다 성능이 뛰어나다.

 

DSSC의 메조포러스 반도체 층은 광자에서 전기로의 변환 과정에서 중요한 역할을 한다. 그래핀은 에너지 준위가 TiO2 와 FTO의 전도대 사이에 있기 때문에 반도체 층에 통합하기에 적합한 나노물질로 간주된다. 이 특성은 TiO2에서 FTO로 전자의 효과적인 통과를 허용하여 DSSC의 성능을 향상시킨다. 연구원들은 rGO-TiO 2 합성물을 반도체 층으로 사용하면 광전류가 29% 증가한다는 것을 발견했다.

 

DSSC의 상대 전극은 외부 회로에서 전자를 포착하여 전해질에 주입한다. 그래핀은 전기촉매 활성이 뛰어나고 전도도가 우수하여 상대 전극으로 백금의 후보가 될 수 있다.

 

양자점 감지 DSSC

양자점은 2~20nm 범위의 크기를 갖는 반도체 나노입자로 양자 구속(quantum confinement)으로 알려진 현상으로 인해 비정상적인 동작을 나타낸다. 4세대 태양전지에는 양자점 감응태양전지(QDSSC)가 있다. 이 태양 전지는 이전 DSSC와 마찬가지로 광양극, 음극 및 전해질을 포함하지만 CdS, CdSe 및 CdTe와 같은 양자점 층인 감광제와 그래핀 양자점(GQD). 예를 들어, GQD는 기존 N719 염료의 7.6%에 비해 PCE를 8.9% 증가시켰다.

 

염료감응 태양전지의 MXene

지금까지 DSSC에서 가장 비싼 구성 요소는 촉매 층과 투명 전도성 산화물(TCO)층을 포함하는 상대 전극(백금)이다. 예상되는 레이어 교체는 DSSC 기술의 광범위한 상용화를 위한 길을 열 것이다.

 

MXene은 넓은 표면적, 열 및 전기 전도성, 생체 적합성, 강력한 촉매 활성 및 유연성으로 인해 최근에 많은 주목을 받았다. MXene 기반 상대 전극은 8.68%의 놀라운 변환 효율을 보여 일반적인 Pt 기반 상대 전극을 4.03% 초과하는 것으로 나타났다.

 

태양 전지에 나노 기술의 상업적 채택

최근 Graphene Flagship의 파일럿 프로젝트는 각각 40개의 모듈을 포함하는 세계 최초의 대면적(0.5m2) 그래핀 지원 페로브스카이트 태양광 패널을 구축했다. 태양광 발전소는 그리스 크레타 섬에 성공적으로 설치되었으며 총 패널 크기가 4.5m2, 총 피크 전력 생산량이 250W 이상, 우수한 PCE가 12.5%인 그래핀-페로브스카이트 패널 9개로 구성되어 있다. 이 프로젝트는 평준화된 에너지 비용을 20€/MWh 미만으로 낮추려고 한다.

 

태양 전지에 나노 기술을 사용하는 또 다른 상업적 예는 2018년 ZNShine과 Bharat Heavy Electrical Limited 간의 협력에서 비롯되었다. 이 협력에서는 태양광을 마주하는 패널에 그래핀 코팅을 적용하여 자가 세척 코팅으로 작동하고 전력 변환 효율을 향상시킨다.

 

가장 잘 알려진 나노기술 기반 태양전지 생산업체로는 Trina Solar, Solargise, Jinko Solar, NextEra Energy, First Solar Inc., Canadian Solar 및 Hanwha-Q Cells가 있다.