연구자들은 실리콘 기반 태양 전지에 대한 흥미로운 잠재적 도전자 인 페 로브 스카이 트 (perovskite) 셀에 대한 주요 제조 문제를 해결했다고 말합니다.

이러한 결정 구조는 거의 모든 파장의 빛을 흡수할 수 있기 때문에 매우 유망합니다. 페로브스카이트 태양전지는 이미 소규모로 상용화되었지만, 최근 전력 변환 효율(PCE)이 크게 향상되면서 태양광 패널의 저가 대안으로 관심을 끌고 있습니다.

논문에서 나노 스케일연구팀은 페로브스카이트 전지에 핵심 부품을 적용하여 주요 제조 과제를 해결하는 새로운 확장 가능한 방법을 제시했습니다. 연구진은 페로브스카이트 태양 전지의 핵심 전자 수송층(ETL)을 새로운 방식인 스프레이 코팅으로 적용하여 ETL에 우수한 전도성과 인접한 페로브스카이트층과의 강력한 계면을 부여했습니다.

대부분의 태양전지는 빛이 셀 표면에 닿으면 음전하를 띤 물질 속 전자를 여기시키고, 이 전자를 양전하를 띤 "정공" 격자 쪽으로 이동시켜 전류를 발생시키는 방식으로 여러 겹의 물질이 "샌드위치"처럼 겹쳐져 있습니다. pin(반전하면 nip)이라고 하는 단순한 평면 배향을 갖는 페로브스카이트 태양전지에서, 페로브스카이트는 음전하를 띤 ETL과 양전하를 띤 정공 수송층(HTL) 사이에 빛을 가두는 고유층(pin의 "i")을 구성합니다.

양전하와 음전하 층이 분리되면, 이 구조는 마치 파친코의 아원자 게임처럼 작동합니다. 광원에서 나오는 광자가 ETL에서 불안정한 전자를 밀어내 샌드위치의 양전하 HTL 쪽으로 떨어지게 합니다. 페로브스카이트 층은 이러한 흐름을 촉진합니다.

페로브스카이트는 정공과 전자에 대한 강한 친화성과 빠른 반응 시간으로 인해 이상적인 고유층이 되지만, 페로브스카이트의 결정 표면에 균일한 ETL 층을 효과적으로 적용하기 어렵기 때문에 상업적 규모의 제조는 어려운 것으로 드러났습니다.

연구진은 ETL 물질로서의 실적과 거친 층에 적용된 PCBM이 향상된 전도성, 덜 침투성 있는 계면 접촉, 향상된 광 포획의 가능성을 제공하기 때문에 화합물 [6,6]-페닐-C(61)-부티르산 메틸 에스테르(PCBM)를 선택했습니다.

뉴욕대학교 탠던 공과대학 부교수인 앙드레 D. 테일러는 "평면 핀 설계를 위한 ETL 옵션에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았습니다."라고 말합니다. "평면 셀의 핵심 과제는 인접 층을 손상시키지 않으면서 실제로 어떻게 조립하느냐는 것입니다."

가장 일반적인 방법은 스핀 캐스팅(spin casting)으로, 셀을 회전시켜 구심력을 통해 페로브스카이트 기판 위에 ETL 유체를 분산시키는 방식입니다. 하지만 이 기술은 작은 표면에만 적용되며, 균일하지 않은 층을 형성하여 태양 전지의 성능을 저하시킵니다. 또한, 스핀 캐스팅은 롤투롤(roll-to-roll) 제조와 같은 대형 태양 전지 패널의 상업적 생산과도 비교할 수 없습니다. 이러한 대형 태양 전지 패널에는 유연한 핀 평면 페로브스카이트 구조가 매우 적합합니다.

연구진은 넓은 면적에 ETL을 균일하게 도포하는 스프레이 코팅 방식을 채택했는데, 이는 대형 태양광 패널 제조에 적합합니다. 연구진은 다른 ETL 대비 효율이 30% 향상(PCE 13%에서 17% 이상으로 증가)되었고 결함도 감소했다고 보고했습니다.

테일러는 "저희의 접근 방식은 간결하고 재현성이 높으며 확장성이 뛰어납니다. PCBM ETL 분무 코팅이 페로브스카이트 태양 전지의 효율 기준을 개선하고 가까운 미래에 기록적인 핀 페로브스카이트 태양 전지를 위한 이상적인 플랫폼을 제공하는 데 큰 도움이 될 수 있음을 시사합니다."라고 덧붙였습니다.

추가 공동 저자는 중국 전자과학기술대학, 베이징대학, 예일대학, 존스홉킨스대학 출신입니다.

중국 국가자연과학기금(NSFC) 기금, NSFC 산하 혁신연구그룹 기금, 중국장학금위원회, 미국 국가과학재단이 이 연구에 자금을 지원했습니다.

출처: 뉴욕 대학

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