주제:에너지재료과학페로브스카이트 태양전지광전지태양 전지
최근 몇 년 동안 새로운 유형의 태양광 기술이 유망해 보였습니다.할라이드 페로브스카이트 태양전지는 미래의 성공적인 태양광 기술을 위한 두 가지 필수 요소인 전기 에너지 생산을 위한 고성능 및 저비용입니다.그러나 새로운 태양전지 소재는 25년 이상의 신뢰성을 자랑하는 실리콘 기반 태양전지의 안정성에도 부합해야 합니다.
새로 발표된 연구에서 조지아 공대의 재료 과학 및 공학부 조교수인 Juan-Pablo Correa-Baena가 이끄는 팀은 할라이드 페로브스카이트 태양 전지가 이전에 생각했던 것보다 덜 안정적이라는 것을 보여줍니다.그들의 작업은 셀의 인터페이스 레이어 내에서 발생하는 열적 불안정성을 밝혀냈지만 할라이드 페로브스카이트 태양광 기술의 신뢰성과 효율성을 향한 길을 제시하기도 했습니다.저널의 표지 기사로 게재된 그들의 연구고급 재료2022년 12월, 태양광에 의해 생성된 전류와 관련된 분야인 광전지에서 페로브스카이트를 연구하는 학계 및 산업 전문가 모두에게 즉각적인 영향을 미칩니다.
납 할라이드 페로브스카이트 태양전지는 햇빛을 전력으로 변환하는 능력이 뛰어납니다.현재 이러한 셀에서 높은 변환 효율을 유도하기 위한 가장 일반적인 전략은 양이온으로 알려진 큰 양전하 이온으로 표면을 처리하는 것입니다.
이러한 양이온은 너무 커서 페로브스카이트 원자 규모 격자에 맞지 않으며, 페로브스카이트 결정에 착지하면 증착된 계면에서 재료의 구조를 변경합니다.그 결과 원자 규모의 결함은 태양 전지에서 전류 추출의 효능을 제한합니다.이러한 구조적 변화에 대한 인식에도 불구하고 증착 후 양이온이 안정적인지 여부에 대한 연구는 제한적이어서 할라이드 페로브스카이트 태양 전지의 장기 생존 가능성에 영향을 미칠 수 있는 프로세스에 대한 이해에 차이가 있습니다.
Correa-Baena는 "우리의 우려는 태양 전지 작동의 오랜 기간 동안 인터페이스의 재구성이 계속될 것이라는 점이었습니다."라고 말했습니다."그래서 우리는 이 프로세스가 시간이 지남에 따라 어떻게 발생하는지 이해하고 입증하려고 했습니다."
실험을 수행하기 위해 팀은 일반적인 페로브스카이트 필름을 사용하여 샘플 태양광 장치를 만들었습니다.이 장치는 8개의 독립적인 태양 전지를 갖추고 있어 연구자들이 각 전지의 성능을 기반으로 데이터를 실험하고 생성할 수 있습니다.그들은 양이온 표면 처리 유무에 관계없이 셀이 어떻게 작동하는지 조사하고 싱크로트론 기반 X-선 특성화 기술을 사용하여 장기간 열 스트레스 전후에 각 셀의 양이온 수정 인터페이스를 연구했습니다.
먼저 연구원들은 전처리된 샘플을 100도에 노출시켰습니다.섭씨40분간 반응시킨 후 X선 광전자분광법을 이용하여 화학조성의 변화를 측정하였다.그들은 또한 필름 표면에 어떤 유형의 결정 구조가 형성되는지 정확하게 조사하기 위해 또 다른 유형의 X선 기술을 사용했습니다.두 도구의 정보를 결합하여 연구원들은 양이온이 격자로 확산되는 방식과 열에 노출되었을 때 인터페이스 구조가 어떻게 변하는지 시각화할 수 있었습니다.
다음으로, 양이온 유도 구조 변화가 태양 전지 성능에 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위해 연구원들은 조지아 공대의 물리 및 화학 교수인 Carlos Silva와 공동으로 여기 상관 분광법을 사용했습니다.이 기술은 태양 전지 샘플을 매우 빠른 빛의 펄스에 노출시키고 각 펄스 후에 필름에서 방출되는 빛의 강도를 감지하여 빛의 에너지가 어떻게 손실되는지 이해합니다.측정을 통해 연구원은 어떤 종류의 표면 결함이 성능에 해로운지 이해할 수 있습니다.
마지막으로 팀은 구조 및 광전자 특성의 변화를 태양 전지 효율의 차이와 연관시켰습니다.그들은 또한 가장 많이 사용되는 두 양이온에서 고온에 의해 유도된 변화를 연구하고 이들의 인터페이스에서 역학의 차이를 관찰했습니다.
Correa-Baena 연구실의 연구 과학자이자 이 논문의 제1 저자인 Carlo Perini는 “우리 연구는 특정 양이온을 사용한 처리에 의해 도입된 불안정성에 관한 문제가 있음을 밝혔습니다."그러나 좋은 소식은 인터페이스 레이어의 적절한 엔지니어링을 통해 미래에 이 기술의 안정성이 향상된다는 것입니다."
연구원들은 유기 양이온으로 처리된 금속 할라이드 페로브스카이트 필름의 표면이 열 응력 하에서 구조와 구성이 계속 진화한다는 것을 알게 되었습니다.그들은 인터페이스에서 결과적인 원자 규모의 변화가 태양 전지의 전력 변환 효율에 의미 있는 손실을 일으킬 수 있음을 확인했습니다.또한, 그들은 이러한 변화의 속도가 사용된 양이온의 유형에 따라 다르다는 것을 발견했으며, 이는 분자의 적절한 엔지니어링으로 안정적인 인터페이스가 도달할 수 있음을 시사합니다.
Correa-Baena는 "이 작업을 통해 연구자들은 고온에서 이러한 인터페이스를 테스트하고 불안정성 문제에 대한 해결책을 찾을 수 있기를 바랍니다."라고 말했습니다."이 작업은 과학자들이 보다 효율적이고 안정적인 태양광 기술을 구축하기 위해 집중할 수 있는 영역으로 올바른 방향을 제시해야 합니다."