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양자점 기반 태양전지 동향 원문보기

전기전자재료 = Bulletin of the Korean institute of electrical and electronic material engineers, v.29 no.5, 2016년, pp.33 - 42  

서요한 (울산과학기술원 에너지 및 화학공학부) ,  김기환 (울산과학기술원 에너지 및 화학공학부) ,  김진영 (울산과학기술원 에너지 및 화학공학부) ,  박종남 (울산과학기술원 에너지 및 화학공학부)

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 양자점 태양전지의 소자 효율은 약 10년 동안 급격히 증가하여 2016년 현재 10.6% 광변환 효율이 보고되고 있으며 [3], 본 보고서를 통하여 양자점 소재의 특징과 합성방법을 소개하고, 양자점의 광학적, 전기적, 화학적 특성 변화를 통하여 양자점 태양전지 효율 증가에 기여한 다양한 혁신적 기술들을 소개하고자 한다.
  • 이와 같은 방법을 이용하여 다양한 조성, 크기를 가진 잉크 형태의 콜로이드 양자점을 합성할 수 있으며, 이렇게 합성된 양자점을 태양전지에 적용하는 방법 및 최근 양자점 태양전지 분야에서 관심을 가지고 진행되는 연구방향에 대하여 서술하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
태양전지는 어떻게 구분되어지는가? 태양전지는 결정질/다결정질의 실리콘 계로 이뤄진 1세대 태양전지, 염료감응형 및 박막형 화합물 반도체로 이루어진 2세대 태양전지 및 반도체 양자점을 포함하는 3세대 태양전지로 구분된다. 현재 상용화 된 태양전지 소자는 Si 계열의 1세대 태양전지가 주를 이루고 있으나, 효율이 높으면서 생산단가를 낮추고자 용액공정 기반의 화합물 반도체 태양전지 혹은 차세대 태양전지에 속하는 3세대 태양전지의 발전이 급격하게 이뤄지고 있다.
태양전지가 미래지향적이며 잠재성이 풍부한 기술인 이유는? 이 중 태양에서 형성된 광에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지 개발에 많은 연구자들이 관심을 가지고 접근하고 있다. 태양전지는 전기를 태양으로부터 직접적으로 생산할 수 있는 친환경적이며 무한대의 에너지 공급원인 태양을 이용하기 때문에 무제한 에너지 공급 역할을 할 수 있는 미래지향적이며 잠재성이 풍부한 차세대 기술이다. 2016년 현재 태양전지 시장은 연간 40 GW의 생산으로 800억 달러의 시장 수익을 형성하고 있다 [1].
양자점의 밴드갭을 조절하는 방법중에 파울리 배타 원리를 사용한 방법은? 양자점의 밴드갭을 조절하는 방법은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째로는 양자점의 크기를 조절하여 양자구속효과 (Quantum Confinement Effect)를 일으켜 그림 2와 같이 벌크 (Bulk) 물질의 밴드갭을 쉽게 제어할 수 있는 특징을 이용하는 방법이다. 양자점의 크기가 줄어들게 되면 양자점 내부의 전자가 존재할 수 있는 공간의 크기가 점점 작아지게 되고, 양자점을 이루는 물질의 엑시톤 보어 반지름 이하로 입자의 크기가 작아지게 되면, 양자점의 에너지 준위 (Energy Level)는 파울리의 배타 원리 (Pauli’s Exclusion Principle)에 의하여 양자화 되기 시작한다.
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참고문헌 (17)

  1. Masson, G. et al. Global Market Outlook for Photovoltaics until 2016 (EPIA, 2012). 

  2. Mingjian, Y. et al. Colloidal quantum dot solids for solution-processed solar cells Nature Energ. DOI:10.1038/nenergy.2016.16, (2016). 

  3. Best Research Cell Efficiencies (NREL, accessed on 11 January 2016) 

  4. Y. C. Cao, Materials science. Impurities enhance semiconductor nanocrystal performance. Science 332, 48-49 (2011). 

  5. G. H. Carey et al., Materials processing strategies for colloidal quantum dot solar cells: advances, present-day limitations, and pathways to improvement. MRS Communications 3, 83-90 (2013). 

  6. H. Jin et al., SnS4(4-), SbS4(3-), and AsS3(3-) Metal Chalcogenide Sur face Ligands: Couplings to Quantum Dots, Electron Transfers, and All-Inorganic Multilayered Quantum Dot Sensitized Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 137, 13827-13835 (2015). 

  7. M.J. Rak, T. Friscic, A. Moores, Mechanochemical synthesis of Au, Pd, Ru and Re nanoparticles with lignin as a bio-based reducing agent and stabilizing matrix. Faraday Discuss 170, 155-167 (2014). 

  8. J. Park, J. Joo, S. G. Kwon, Y. Jang, T. Hyeon, Synthesis of Monodisperse Spherical Nanocrystals. Angew. Chem. Int. Ed. 46, 4630-4660 (2007). 

  9. S. Marre et al., Supercritical Continuous-Microflow Synthesis of Narrow Size Distribution Quantum Dots. Adv. mat. 20, 4830-4834 (2008). 

  10. Choi, H., Ko, J., Kim, Y. & Jeong, S. Steric-hindrance-driven shape transistion in PbS quantum dots: understanding size-dependent stability. J. Am. Chem. Soc. 135, 5278-5281 (2013). 

  11. Hwang, G. W. et al. Identifying and eliminating emissive sub-bandgap states in thin films of PbS nanocrystals. Adv. Mater. 27, 4481-4486 (2015). 

  12. Gai, Y., Peng, H. & Li, J., Electronic properties of nonstoichiometric PbSe quantum dots from first principles. J. Phys. Chem. C 113, 21506-21511 (2009). 

  13. Ip, A. H. et al. Hybrid passivated colloidal quantum dot solids. Nature Nanotech. 7, 577-582 (2012). 

  14. Gi-Hwan, K. et al. Inverted colloidal quantum dot solar cells. Adv. Mater. 26, 20, 3321-3327 (2014) 

  15. Gi-Hwan, K. et al. Synergistics photocurrent addition in hybrid quantum dot:bulk heterojunction solar cells, Nano energy 13, 491-499 (2015) 

  16. Gi-Hwan, K. et al. Effects of ionic liquid molecules in hybrid PbS quantum dot-organic solar cells. ACS Appl. Mater. Inter. 5, 1757 (2013) 

  17. Gi-Hwan, K. et al. High efficiency colloidal quantum dot photovoltaics via robust self-assembled monolayers. Nano lett. 15, 11 7691-7696 (2015) 

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