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최근 몇 년 동안 새로운 유형의 태양광 기술이 유망해 보였습니다. 할라이드 페로브스카이트 태양전지는 전기 에너지 생산에 있어 고성능이면서 저비용입니다. 이는 미래의 성공적인 태양광 기술을 위한 두 가지 필수 요소입니다. 하지만 새로운 태양전지 소재 역시 25년 이상의 신뢰성을 자랑하는 실리콘 기반 태양전지의 안정성에 맞춰야 한다.
새로 발표된 연구에서 조지아텍 재료과학 및 공학부 조교수인 Juan-Pablo Correa-Baena가 이끄는 팀은 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지가 이전에 생각했던 것보다 덜 안정적이라는 것을 보여주었습니다. 그들의 연구는 전지의 인터페이스 층 내에서 발생하는 열적 불안정성을 밝혀냈을 뿐만 아니라 할로겐화물 페로브스카이트 태양광 기술의 신뢰성과 효율성을 향한 길을 제시했습니다. 저널의 표지 기사로 출판된 그들의 연구첨단소재2022년 12월에 발표될 이 연구는 햇빛에 의해 생성되는 전류와 관련된 분야인 광전지에서 페로브스카이트를 다루는 학계 및 산업 전문가 모두에게 즉각적인 영향을 미칠 것입니다.
납 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지는 햇빛을 전력으로 변환하는 탁월한 성능을 보장합니다. 현재 이러한 세포에서 높은 전환 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 도달하면 증착되는 경계면에서 물질의 구조를 변경합니다. 결과적인 원자 규모 결함은 태양 전지에서 전류 추출의 효율성을 제한합니다. 이러한 구조적 변화에 대한 인식에도 불구하고, 증착 후 양이온이 안정적인지에 대한 연구는 제한되어 있어 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지의 장기적인 생존 가능성에 영향을 미칠 수 있는 공정에 대한 이해에 격차가 있습니다.
Correa-Baena는 “우리의 우려는 장기간의 태양전지 작동 동안 인터페이스 재구성이 계속될 것이라는 점이었습니다.”라고 말했습니다. "그래서 우리는 시간이 지남에 따라 이 과정이 어떻게 일어나는지 이해하고 입증하려고 노력했습니다."
실험을 수행하기 위해 팀은 일반적인 페로브스카이트 필름을 사용하여 샘플 태양광 장치를 만들었습니다. 이 장치는 8개의 독립적인 태양전지를 특징으로 하며, 이를 통해 연구원들은 각 전지의 성능을 기반으로 데이터를 실험하고 생성할 수 있습니다. 그들은 양이온 표면 처리 유무에 관계없이 전지가 어떻게 작동하는지 조사하고 싱크로트론 기반 X선 특성화 기술을 사용하여 장기간 열 응력 전후에 각 전지의 양이온 변형 인터페이스를 연구했습니다.
먼저 연구진은 전처리된 샘플을 100도에 노출시켰다.섭씨40분 동안 방치한 후 X선 광전자 분광법을 사용하여 화학 조성의 변화를 측정했습니다. 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 노출될 때 인터페이스 구조가 어떻게 변하는 지 시각화할 수 있었습니다.
다음으로, 양이온 유발 구조 변화가 태양전지 성능에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 위해 연구진은 조지아 공대 물리학 및 화학 교수인 Carlos Silva와 협력하여 여기 상관 분광법을 사용했습니다. 이 기술은 태양전지 샘플을 매우 빠른 빛의 펄스에 노출시키고 각 펄스 후에 필름에서 방출되는 빛의 강도를 감지하여 빛의 에너지가 손실되는 방식을 이해합니다. 측정을 통해 연구원은 어떤 종류의 표면 결함이 성능에 해로운지 이해할 수 있습니다.
마지막으로 연구팀은 구조 및 광전자 특성의 변화를 태양전지 효율의 차이와 연관시켰습니다. 그들은 또한 가장 많이 사용되는 두 가지 양이온의 고온으로 인한 변화를 연구하고 경계면에서 역학의 차이를 관찰했습니다.
Correa-Baena 연구실의 연구 과학자이자 논문의 첫 번째 저자인 Carlo Perini는 “우리 연구에서는 특정 양이온 처리로 인해 불안정성이 발생한다는 사실이 밝혀졌습니다.”라고 말했습니다. "그러나 좋은 소식은 인터페이스 레이어의 적절한 엔지니어링을 통해 미래에 이 기술의 안정성이 향상될 것이라는 것입니다."
연구진은 유기 양이온으로 처리된 금속 할로겐화물 페로브스카이트 필름의 표면이 열 스트레스 하에서 구조와 구성이 계속 진화한다는 사실을 알아냈습니다. 그들은 인터페이스에서 발생하는 원자 규모의 변화로 인해 태양 전지의 전력 변환 효율이 크게 저하될 수 있음을 확인했습니다. 또한, 그들은 이러한 변화의 속도가 사용된 양이온의 유형에 따라 달라진다는 사실을 발견했으며, 이는 분자의 적절한 엔지니어링을 통해 안정적인 인터페이스가 도달할 수 있음을 시사합니다.
Correa-Baena는 "우리는 이 연구가 연구원들이 고온에서 이러한 인터페이스를 테스트하고 불안정성 문제에 대한 해결책을 찾도록 강요하기를 바랍니다"라고 말했습니다. "이 작업은 과학자들이 보다 효율적이고 안정적인 태양광 기술을 구축하기 위해 집중할 수 있는 영역으로 올바른 방향을 제시해야 합니다."