.Study: Chemical nature of defects that cause trap states in metal halide perovskite solar cells
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.MIT Lays Out Strategy To Help the U.S. Regain Its Place as a Semiconductor Superpower
MIT, 미국이 반도체 강대국으로서의 위상을 되찾을 수 있도록 전략을 마련하다
주제:경제학와 함께정치반도체 작성자: ADAM ZEWE, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY 2022년 1월 19일 반도체 CPU 컴퓨터 칩 그림 마이크로일렉트로닉스 분야에서 미국의 리더십 재확인 MIT 연구원들은 대학이 미국이 반도체 초강대국의 자리를 되찾도록 도울 수 있는 방법에 대한 전략을 제시합니다. 글로벌 반도체 부족 은 헤드라인을 장식하고 냉장고에서 SUV에 이르기까지 모든 종류의 소비재의 가격을 상승시키는 일련의 생산 병목 현상을 일으켰습니다.
칩 부족은 일상 생활의 여러 측면에서 반도체 가 수행하는 중요한 역할을 크게 안도했습니다 . 그러나 대유행으로 인한 부족이 발생하기 몇 년 전에 미국은 이미 칩 위기가 커지고 있었습니다. 마이크로일렉트로닉스 혁신 및 제조 분야에서 오랜 기간 지배력을 유지해 왔던 이 회사는 국제 경쟁이 심화됨에 따라 지난 수십 년 동안 침식되어 왔습니다. 이제 마이크로일렉트로닉스 분야에서 미국의 리더십을 재확인하는 것이 경제적 이유뿐만 아니라 국가 안보 문제에서도 업계와 정부 모두의 우선 순위가 되었습니다.
새로운 백서에서 MIT 연구원 그룹은 반도체 초강대국으로서의 위치를 재확인하기 위한 국가 전략에는 신기술을 개척하고 고도로 숙련된 인력을 양성할 수 있는 독특한 위치에 있는 대학이 많이 참여해야 한다고 주장합니다. " 마이크로일렉트로닉스 분야에서 미국의 리더십 재확인 "이라는 보고서 는 반도체 연구 및 제조 분야에서 글로벌 우위를 유지하기 위한 국가적 노력에서 대학이 주도적인 역할을 할 수 있는 방법에 대한 일련의 권장 사항을 제시합니다.
CMOS THz-ID 칩 이 이미지는 CMOS THz-ID 칩을 보여줍니다. 이 칩은 Profs 간의 협업입니다. Ruonan Han과 Anantha P. Chandrakasan. 크레딧: 연구원 제공, MIT News 편집
“마이크로일렉트로닉스 제조 분야에서 리더십을 되찾기 위한 이 국가적 노력에서 대학이 중요한 역할을 해야 한다는 것이 분명했습니다. 우리는 대학이 이 중요한 노력에 가장 잘 기여할 수 있는 방법에 대해 처음부터 생각하고 싶었습니다.”라고 백서의 주저자이자 MIT EECS(Department of Electrical Engineering and Computer Science)의 Donner 교수인 Jesús del Alamo가 말했습니다. "우리의 목표는 이러한 국가 프로그램이 구성될 때 미국 대학이 감당할 수 있는 엄청난 자원과 재능을 활용하여 균형 잡힌 방식으로 구축되는 것입니다." 다른 공동 저자로는 전기 공학의 Ray 및 Maria Stata 교수인 Dimitri Antoniadis가 있습니다. 링컨 연구소의 첨단 기술 부문 책임자인 로버트 앳킨스(Robert Atkins); Marc Baldo, Dugald C. Jackson 전기 공학 교수이자 전자 연구소 소장; Vladimir Bulovic, Fariborz Maseeh 이머징 테크놀로지 의장이자 MIT.nano 이사; 링컨 연구소의 첨단 기술 부문 부장인 마크 고커(Mark Gouker); 링컨 연구소의 마이크로일렉트로닉스 연구소 운영 책임자이자 첨단 기술 부문 부국장인 크레이그 키스트(Craig Keast); 전자공학과 첨단 텔레비전 및 신호 처리 교수이자 마이크로시스템즈 기술연구소 소장 이해승; EECS 교수인 William Oliver는 양자 공학 센터 소장 및 전자 연구 연구소 부소장; EECS 교수인 Tomás Palacios; Max Shulaker, EECS 부교수; 그리고 재료 과학 및 공학의 Stavros Salapatas 교수이자 재료 연구 연구소 소장인 Carl Thompson.
리더십 상실 미국 과학자들의 반도체 기술 발명은 1950년대 실리콘 밸리의 탄생으로 이어졌고, 이로 인해 미국이 반도체 연구 및 제조 분야의 지배자가 되었지만 그 지배력은 수십 년 동안 미끄러져 왔습니다. 반도체 산업 협회에 따르면 현재 미국에서 생산되는 반도체 칩의 12%만이 1990년의 37%에서 감소했습니다. 국내 감소의 한 가지 동인은 한국, 대만, 중국과 같은 국가들이 지난 몇 년 동안 대규모 인프라 투자를 했기 때문입니다. 이러한 투자는 국내 마이크로칩 회사를 부양했고 심지어 일부 미국 회사가 해외에 제조 시설을 열도록 유인했다고 del Alamo는 설명합니다.
NbN 초전도 나노와이어 루프 메모리 셀 이 주사 전자 현미경 사진은 NbN 초전도 나노와이어 루프 메모리 셀을 보여줍니다. 여기에는 MIT 칼 베르그렌(Karl Berggren) 교수 실험실의 열 나노와이어 극저온전자와 전류가 많이 흐르는 나노와이어 극저온전자가 포함된다. 크레딧: Qing-Yuan Zhao 제공
팹이라고도 하는 칩 제조 공장의 비용은 100억 달러에 이를 수 있으므로 기업은 새로운 시설을 건설하기로 결정할 때 경제적으로 큰 베팅을 합니다. 세금 혜택, 값싼 토지, 심지어 완전한 보조금의 형태로 정부가 제공할 수 있는 모든 경제적 인센티브는 팹 위치에 대한 기업의 결정에 중요한 역할을 합니다. 반도체 산업 협회(Semiconductor Industry Association) 의 2020년 보고서 에 따르면 경제적 인센티브를 고려할 때 제조업체는 아시아에 비해 미국에서 마이크로칩을 생산할 때 30%의 비용 불이익에 직면하게 됩니다. 미국 정책 입안자들은 부분적 으로 국내 반도체 연구, 설계 및 제조를 위한 연방 투자에 520억 달러를 제공할 CHIPS법 법안을 통해 이러한 격차를 좁히기 위해 노력하고 있습니다. 의회는 또한 반도체 투자 세액 공제를 설정하는 또 다른 법안인 FABS법 을 고려하고 있습니다. 인력의 성장 저자가 백서에서 지적했듯이 경제적 인센티브는 그림의 일부일 뿐입니다. 반도체 제조 분야에서 리더십을 재확인하려면 수천 명의 새로운 고도로 숙련된 근로자가 필요하며 대학은 산업 인력의 상당 부분을 기여합니다. 이 인력의 규모와 다양성을 확대하는 것이 핵심이 될 것이지만, 더 많은 학생들이 컴퓨터 과학과 같은 분야에서 "하드 테크"를 포기함에 따라 교육 기관은 힘든 싸움에 직면해 있습니다. 더 많은 학생을 유치하려면 흥미진진한 실습 과정, 영감을 주는 연구 경험, 잘 짜여진 인턴십, 업계 멘토의 지원, 모든 수준의 펠로우십 등 여러 이니셔티브가 필요합니다.
MIT 학생 클린 룸 이 사진은 MIT.nano의 클린룸에 있는 한 학생의 모습입니다. 신용: 연구원의 의례
“우리는 이미 반도체 산업의 모든 수준에서 충분한 엔지니어를 생산하지 못하는 상황에 처해 있으며 대규모 확장에 대해 이야기하고 있습니다. 따라서 합산되지 않습니다.”라고 del Alamo는 말합니다. “이 대규모 확장을 위한 인력을 제공하려면 더 많은 학생들을 참여시켜야 합니다. 단기적으로 이 업계에 더 많은 졸업생을 제공할 수 있는 유일한 방법은 기존 프로그램을 확장하고 과거에는 참여하지 않은 기관을 참여시키는 것입니다.” 혁신 지원 대학은 또한 기초 연구에 기여하는 데 있어 역사적으로 중요한 역할을 했으며 국가는 새로운 혁신을 창출하기 위해 학술 연구실에 의존해야 합니다. 그러나 많은 대학에는 이미 구식이 아니라면 노후화에 임박한 노후화된 인프라가 있습니다.
백서의 저자는 미국이 대학 기반 시설에 투자해야 한다고 주장합니다. 자본 장비와 인력 모두 이를 운영하고 연구 및 교육 활동을 지원합니다. 연구 시설의 주요 업그레이드는 대학이 산업 및 최신 도구와 관련성을 유지하는 데 필수적입니다. 2018년에 문을 연 214,000제곱피트, 4억 달러의 MIT.nano 시설 은 첨단 공유 시설이 반도체 산업을 발전시키기 위한 연구 및 교육 프로그램은 물론 산업 관련 도구를 호스트할 수 있는 방법의 한 예입니다. , 델 알라모는 말한다. “단순히 트랜지스터를 작게 만드는 것이 아닙니다. 미래의 발전에는 새로운 재료, 새로운 공정, 재창조된 장치, 새로운 통합 시스템이 필요합니다. “지금부터 10년 후에 우리가 의존하게 될 기술은 오늘날의 기술과 전혀 같지 않을 수도 있습니다. 학문적 혁신은 현재의 기술 로드맵을 방해하고 현재 상상하는 시스템의 성능을 뛰어 넘을 수밖에 없습니다. 오늘날의 산업과 학계 사이의 강력한 연결을 유지함으로써 우리의 최고의 아이디어가 현재 산업을 향상시키고 새로운 기술 벤처를 시작할 수 있도록 보장할 것입니다.” 스타트업은 또한 혁신에서 중요한 역할을 하며 대학은 오랫동안 기업가 활동의 온상이었습니다.
이를 지속하기 위해 저자들은 진취적인 연구원들이 혁신을 기술 스타트업으로 발전시켜 미래의 세계적인 기업이 될 수 있도록 지원하기 위해 대학이 프로토타입 시설, 국립 연구소 및 상업 파운드리와 강력한 파트너십을 맺을 필요가 있다고 주장합니다. MIT가 관리하는 매사추세츠주 렉싱턴에 위치한 연방 자금 지원 연구 기관인 Lincoln Laboratory 와의 협력 덕분에 다른 방법으로는 불가능했을 마이크로칩 혁신이 가능해졌다고 del Alamo는 말합니다. Lincoln 연구소의 첨단 기술 부문 책임자인 Bob Atkins는 “MIT의 세계적 수준의 혁신 엔진과 Lincoln 연구소의 복잡한 마이크로 전자 제품의 프로토타입을 제작할 수 있는 능력을 결합한 것은 독특하고 강력합니다. “이 조합은 파괴적인 마이크로일렉트로닉스 기술의 발견과 성숙을 모두 지원하고 아이디어를 실질적인 실현으로 전환할 수 있게 해줍니다. 전문 이미저에서 전 세계적으로 사용되는 마이크로일렉트로닉스 리소그래피에 이르기까지 영향력 있는 개발의 오랜 역사를 만들어 왔습니다.” 대학의 잠재력을 최대한 활용하려면 대학 및 커뮤니티 칼리지를 포함한 다양한 유형의 기관이 협력하여 산업과의 파트너십을 포함하는 공동 연구 및 교육 프로그램을 만들 수 있는 지역 네트워크를 육성하는 전략이 필요합니다.
35년 이상 동안 MIT는 연구 및 교육 활동을 안내하고 학생과 교수진에게 멘토링을 제공하며 재정적 지원을 제공하는 Microsystems Industrial Group 의 혜택을 받아 왔습니다. 업계와의 긴밀한 협력은 교수진이 연구에서 다루어야 하는 흥미롭지만 관련성이 있는 문제를 이해하고 이해하는 데 도움이 됩니다. del Alamo는 이러한 종류의 교차 협력 파트너십이 미래에 훨씬 더 중요해질 것이라고 말합니다. “동료들이 내놓은 백서에 너무 감사합니다. 저는 여기에서 지적한 비전과 방향에 전적으로 동의합니다. 이는 또한 개별 연구원이자 교사로서 제가 이 분야에 어떻게 기여할 수 있는지에 대한 영감을 주었습니다.”라고 전기 공학 교수이자 수석 연구원인 Jing Kong이 말했습니다. 전자 연구실에서. “대학은 마이크로일렉트로닉스 분야에서 미국의 리더십을 재확인하는 데 중요한 역할을 합니다. 내 희망은 이 백서가 행정가와 정책 입안자들을 위한 조수이자 가이드 역할을 하여 대학 교육과 연구에서 제공하는 잠재력을 촉진하고 활용할 수 있기를 바랍니다.”
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연구: 금속 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지에서 트랩 상태를 유발하는 결함의 화학적 특성
잉그리드 파델리, Tech Xplore 크레딧: Zhenyi Ni. JANUARY 18, 2022 FEATURE
최근 몇 년 동안 전 세계의 엔지니어들은 태양 전지와 같은 지속 가능한 대체 에너지 솔루션을 만들기 위해 노력해 왔습니다. 특징적인 구조와 유리한 특성을 지닌 반도체의 일종인 페로브스카이트로 만들어진 태양전지는 최근 25.5% 정도의 사상 최대 효율을 기록하면서 가장 유망한 태양광 기술 중 하나다.
-엄청난 잠재력과 유리한 특성에도 불구하고 페로브스카이트 및 기타 반도체는 '트랩 상태'로 알려진 것에 의해 부정적인 영향을 받을 수 있습니다. 이것은 전하 캐리어(즉, 전자 및 정공)가 재료 내부에 갇히게 하는 상태입니다. 구조적 결함으로 인한 트랩 상태는 페로브스카이트 태양 전지의 효율성과 안정성 모두에 영향을 줄 수 있습니다. 보다 구체적으로, 이러한 상태는 광 생성 전하 캐리어를 포착하여 전기 에너지 손실을 유발할 수 있습니다.
-노스 캐롤라이나 대학과 톨레도 대학의 연구원들은 최근 금속 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지의 분해 동안 트랩 상태 관련 결함의 진화를 면밀히 조사한 연구를 수행했습니다. Nature Energy 에 게재된 그들의 논문 은 페로브스카이트 기반 태양광 기술의 성능을 크게 향상시키는 데 도움이 될 수 있는 새롭고 가치 있는 통찰력을 제공합니다. 연구를 수행한 연구원 중 한 명인 Jinsong Huang은 TechXplore에 "트랩 상태는 고속도로의 구멍과 같습니다. 깊이가 얼마나 얕고 깊느냐에 따라 차의 속도를 늦추거나 완전히 가둘 수 있습니다."라고 말했습니다.
"현재 별형 태양광 제품(즉, 페로브스카이트 태양 전지)에서 트랩 상태를 추가로 줄이는 방법을 결정하는 것은 중요하고 어려운 작업입니다. 이전 작업 에서 우리는 트랩 상태가 어디에 있고 어떻게 트랩 상태인지 알아내는 한 가지 큰 문제를 해결했습니다. 그들은 페로브스카이트 태양 전지에 깊숙이 있으며 트랩 상태를 더욱 줄이기 위해 무엇을 해결해야 하는지를 지적합니다." 새로운 연구의 일환으로 Huang과 그의 동료들은 이전 연구를 바탕으로 더 흥미로운 연구 문제를 해결했습니다.
그들의 목적은 금속 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지의 효율성과 안정성을 제한하는 트랩 상태의 화학적 특성을 더 잘 이해하는 것이었습니다. 이것은 차례로 트랩 상태의 존재를 줄여 부작용을 최소화할 수 있는 전략이나 태양 전지 설계를 고안할 수 있게 해줍니다. "페로브스카이트 태양 전지에서 트랩 상태는 일반적으로 페로브스카이트 재료의 일부 불완전한 결정 구조의 결과인 결함으로 인해 발생합니다."라고 연구를 수행한 다른 연구원인 Zhenyi Ni가 말했습니다.
"좋은 점은 트랩 상태를 유발하는 페로브스카이트의 결함이 일반적으로 전하를 띠고 있어 외부 전기장 아래에서 이동할 수 있음을 의미합니다. 이를 염두에 두고 연속 역방향을 적용하여 페로브스카이트 태양 전지의 결함 이동을 유발할 수 있었습니다. 또는 순방향 바이어스 및 정전용량 측정 기술인 DLCP(드라이브 수준 정전용량 프로파일링)로 공간 분포를 측정합니다." 비정질 및 다결정 재료를 연구하는 데 일반적으로 사용되는 기술인 DLCP를 사용하여 연구원들은 특정 전기장이 적용될 때 페로브스카이트 태양 전지의 결함이 어떻게 이동하는지 결정할 수 있었습니다.
이를 통해 그들은 이러한 결함의 전하 상태에 대한 정보(즉, 양수인지 음수인지)를 수집하고 궁극적으로 화학적 특성을 공개할 수 있었습니다. "금속 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지의 열화는 페로브스카이트 결함의 진화와 밀접한 관련이 있습니다."라고 Huang은 설명했습니다.
"결함이 생기기 시작하는 곳은 태양 전지의 열화가 시작되는 위치를 나타냅니다. 예를 들어 빵 한 조각이 곰팡이가 자라기 시작하는 곳에서 항상 썩기 시작하는 것과 같습니다." 연구를 시작했을 때 Huang과 그의 동료들은 페로브스카이트의 결함이 시간이 지남에 따라 진화한다는 것을 알고 있었지만 이러한 진화와 관련된 정확한 분해 메커니즘은 제대로 이해되지 않았습니다. 이러한 메커니즘에 대해 더 자세히 알아보기 위해 그들은 페로브스카이트 태양 전지가 분해되는 동안 결함이 어떻게 변하거나 진화했는지 면밀히 조사해야 했습니다.
"이렇게 하기 위해 우리는 DLCP를 사용했는데, 이는 페로브스카이트 태양 전지에서 트랩 상태의 에너지 및 공간 분포 프로필을 생성하는 데 도움이 될 수 있으므로 페로브스카이트 태양 전지의 결함 생성 및 이동 을 추적할 수 있습니다. 저하"라고 Huang이 말했습니다. "다양한 종류의 결함이 생성되기 시작하는 위치와 밀도 변화를 알면 역 바이어스 및 조명 하에서 페로브스카이트 태양 전지가 어떻게 저하되는지 결정할 수 있습니다." 이 연구팀의 최근 연구는 페로브스카이트를 기반으로 한 태양광 기술 개발에 중요한 의미를 가질 수 있습니다.
특히 Huang과 그의 동료들은 페로브스카이트 태양 전지 개발의 오랜 과제, 즉 트랩 상태를 유발하는 결함의 화학적 특성에 대한 더 나은 이해를 해결할 수 있었습니다. 그들의 논문은 금속 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지의 성능에 더 해로운 결함 유형을 설명하므로 트랩 상태의 밀도를 줄이기 위해 미리 해결해야 합니다. 미래에 이러한 결과는 결함의 영향을 줄이고 이 유망한 종류의 태양 전지의 효율성과 안정성을 모두 증가시키는 효과적인 전략의 개발에 정보를 제공할 수 있습니다. Huang은 " 페 로브스카이트 태양 전지는 태양열 발전 비용을 더욱 낮출 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있지만 페로브스카이트 태양 전지 의 효율성과 안정성을 개선하는 것이 여전히 가장 중요한 방향"이라고 말했습니다.
"이제 페로브스카이트 태양 전지 의 효율성과 안정성을 더 개선하려면 원치 않는 에너지 손실을 최소화하기 위해 페로브스카이트의 결함 감소에 의존해야 하며 우리의 발견은 미래 연구의 방향을 제시합니다."
추가 탐색 페로브스카이트 태양전지에서 달성된 계면 결함의 방향성 관리 추가 정보: Zhenyi Ni et al, 역 바이어스 및 조명 하에서 금속 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지의 열화 중 결함의 진화, Nature Energy (2021). DOI: 10.1038/s41560-021-00949-9 저널 정보: 네이처 에너지
https://techxplore.com/news/2022-01-chemical-nature-defects-states-metal.html
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메모 2201190515 나의 사고실험 oms 스토리텔링
적당한 공간 트랙은 페로브스카이트로 만들어진 태양전지에게 적절하게 필요한 조건일 수 있다. 문제는 샘플1.oms처럼 균일성을 도출하는 '트랙인지 아닌지'의 여부이다. 물론 샘플1.oms는 100퍼센트의 광효율을 발생하는 완벽한 트랙 상태를 만든다.
그렇다면 페로브스카이트는 그에 상당히 기대에 못미치는 광전지의 본질적인 불충분한 재료일 수도 있고 '조잡스런 트랙 배열을 가진 것'일 수도 있다. 허허. 후자의 경우는 트랙의 개선을 통해 50퍼센트이상의 효율을 가지게 할 수도 있을거다. 허허.
sample 1.oms (standard)
b0acfd 0000e0
000ac0 f00bde
0c0fab 000e0d
e00d0c 0b0fa0
f000e0 b0dac0
d0f000 cae0b0
0b000f 0ead0c
0deb00 ac000f
ced0ba 00f000
a0b00e 0dc0f0
0ace00 df000b
0f00d0 e0bc0a
Sample 1.2 qoms (standard)
0100000010=0,2
0010000100
0001000001
0010001000
0001010000
0000100100
0000100010
2000000000
0000001001
sample 2. oss(standard)
zxdxybzyz
zxdzxezxz
xxbyyxzzx
zybzzfxzy
cadccbcdc
cdbdcbdbb
xzezxdyyx
zxezybzyy
bddbcbdca
-Despite their enormous potential and favorable properties, perovskite and other semiconductors can be negatively affected by what is known as a 'trap state'. This is a state that causes charge carriers (i.e. electrons and holes) to become trapped inside the material. Trap conditions due to structural defects can affect both the efficiency and stability of perovskite solar cells. More specifically, these states can trap photogenerated charge carriers and cause electrical energy loss.
-Researchers from the University of North Carolina and the University of Toledo recently conducted a study that scrutinized the evolution of trap state-related defects during the decomposition of metal halide perovskite solar cells. Their paper, published in Nature Energy, provides new and valuable insights that could help significantly improve the performance of perovskite-based solar technologies. Jinsong Huang, one of the researchers who conducted the study, told TechXplore, "The condition of a trap is like a hole in the highway. Depending on how shallow and deep it is, it can slow the car down or completely lock it in."
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memo 2201190515 my thought experiment oms storytelling
A suitable spatial track may be a suitable requirement for solar cells made of perovskite. The question is whether it is 'track or not' that leads to uniformity like sample 1.oms. Of course, sample 1.oms creates a perfect track condition that produces 100% light efficiency.
If so, the perovskite could be an inherently insufficient material for a photovoltaic cell that does not quite live up to its expectations, or it could be a 'sloppy track arrangement'. haha. In the latter case, it may be possible to achieve more than 50% efficiency by improving the track. haha.
sample 1.oms (standard)
b0acfd 0000e0
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f000e0 b0dac0
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0deb00 ac000f
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a0b00e 0dc0f0
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Sample 1.2 qoms (standard)
0100000010=0,2
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0010001000
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sample 2. oss(standard)
zxdxybzyz
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xxbyyxzzx
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cadccbcdc
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xzezxdyyx
zxezybzyy
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