이성질체 디암모늄 패시베이션을 통한 페로브스카이트-유기물 탠덤 태양 전지 효율 향상

핵심 개념

WBG 페로브스카이트 태양 전지의 계면 재결합 문제를 해결하기 위해 새로운 이성질체 표면 패시베이터인 CyDAI2를 활용하여 페로브스카이트-유기물 탠덤 태양 전지의 효율을 향상시켰습니다.

초록

이성질체 디암모늄 패시베이션을 이용한 페로브스카이트-유기물 탠덤 태양 전지 효율 향상 연구 논문 요약

Jeong, M., Park, J., Park, I. et al. Isomeric diammonium passivation for perovskite–organic tandem solar cells. Nature 620, 77–83 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06294-8

본 연구는 광범위 밴드갭 (WBG) 페로브스카이트 태양 전지 (pero-SC)에서 발생하는 높은 전압 손실 문제를 해결하고, 이를 통해 페로브스카이트-유기물 탠덤 태양 전지 (TSCs)의 전력 변환 효율 (PCE)을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

핵심 통찰 요약

Isomeric diammonium passivation for perovskite–organic tandem solar cells - Nature

by Xin Jiang,Sh... 게시일 www.nature.com 10-14-2024

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08160-y

더 깊은 질문

CyDAI2 이외에 다른 이성질체 물질을 활용하여 페로브스카이트 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있을까요?

네, CyDAI2 이외에도 다른 이성질체 물질을 활용하여 페로브스카이트 태양 전지의 효율을 향상시킬 수 있습니다. 본문에서 제시된 것처럼, cis-CyDAI2는 trans-CyDAI2와는 다른 구조적 특징으로 인해 페로브스카이트 표면과의 상호 작용에서 차이를 보이며, 결과적으로 태양 전지의 성능 향상에 기여합니다.
이처럼 이성질체는 분자식은 같지만 구조가 달라 물리적, 화학적 특성이 다르게 나타날 수 있습니다. 따라서 다른 이성질체 물질 또한 페로브스카이트 표면과의 상호 작용, 특히 계면에서의 결함 패시베이션 효과, 전하 수송 능력 등에 영향을 미쳐 태양 전지의 효율을 향상시킬 가능성이 있습니다.
몇 가지 예시와 함께 추가적인 설명:

다른 고리형 다이아민 화합물: 사이클로헥산 대신 사이클로펜탄, 사이클로헵탄 등 다양한 고리 크기를 가지는 다이아민 화합물을 사용할 수 있습니다. 고리 크기의 변화는 이성질체의 구조적 특징을 변화시켜 페로브스카이트 표면과의 상호 작용에 영향을 줄 수 있습니다.
곁가지가 있는 다이아민 화합물: 곁가지의 종류, 크기, 위치에 따라 이성질체의 극성, 용해도, 결합력 등이 달라질 수 있으며, 이는 페로브스카이트 표면과의 상호 작용 및 박막 형성 과정에 영향을 미칠 수 있습니다.
다른 할로겐 원소를 포함한 다이아민 화합물: 요오드 대신 브롬, 염소 등 다른 할로겐 원소를 포함한 다이아민 화합물을 사용할 수 있습니다. 할로겐 원소의 종류에 따라 페로브스카이트와의 결합력, 결함 패시베이션 효과 등이 달라질 수 있습니다.
추가 연구 방향:

다양한 이성질체 물질을 합성하고 그 특성을 분석하여 페로브스카이트 태양 전지에 적합한 물질을 탐색해야 합니다.
이성질체의 농도, 용매, 증착 방법 등을 조절하여 최적의 조건을 찾는 연구가 필요합니다.
이성질체 처리된 페로브스카이트 태양 전지의 장기 안정성을 평가하는 연구가 필요합니다.

cis-CyDAI2 처리가 페로브스카이트 태양 전지의 장기 안정성에 미치는 영향은 무엇일까요?

cis-CyDAI2 처리는 페로브스카이트 태양 전지의 장기 안정성에 긍정적인 영향을 미칠 가능성이 높습니다. 본문에서 cis-CyDAI2 처리가 페로브스카이트/C60 계면에서의 재결합을 감소시킨다고 언급되었는데, 이는 소자의 장기 안정성을 저해하는 주요 요인 중 하나인 계면에서의 열화를 억제하는 데 기여할 수 있기 때문입니다.
구체적으로 cis-CyDAI2 처리는 다음과 같은 메커니즘을 통해 장기 안정성 향상에 기여할 수 있습니다.

계면 결함 패시베이션: cis-CyDAI2는 페로브스카이트 표면의 결함에 결합하여 비방사성 재결합 중심을 비활성화시킬 수 있습니다. 이는 페로브스카이트 물질의 분해를 가속화하는 이온 이동 및 축적을 억제하여 소자의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.
수분 및 산소 차단: cis-CyDAI2는 페로브스카이트 표면에 소수성 보호층을 형성하여 수분 및 산소의 침투를 차단할 수 있습니다. 수분 및 산소는 페로브스카이트 물질을 분해하고 성능 저하를 일으키는 주요 원인 중 하나이므로, 이러한 외부 요인으로부터 소자를 보호함으로써 장기 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
하지만, cis-CyDAI2 처리가 장기 안정성에 미치는 영향은 다양한 요인에 의해 달라질 수 있습니다.

cis-CyDAI2의 농도 및 처리 조건: 최적의 농도 및 처리 조건에서 최상의 안정성 향상 효과를 얻을 수 있습니다.
페로브스카이트 조성 및 소자 구조: 페로브스카이트 조성 및 소자 구조에 따라 cis-CyDAI2 처리의 효과가 다르게 나타날 수 있습니다.
작동 환경: 고온, 고습 환경에서는 cis-CyDAI2 처리의 효과가 감소할 수 있습니다.
따라서 cis-CyDAI2 처리가 페로브스카이트 태양 전지의 장기 안정성에 미치는 영향을 정확하게 평가하기 위해서는 다양한 조건에서의 장기 안정성 시험이 필요합니다.

이 연구 결과를 바탕으로 페로브스카이트 태양 전지 기술이 상용화되기 위해 극복해야 할 과제는 무엇일까요?

본문에서 제시된 연구 결과는 페로브스카이트 태양 전지의 효율 향상에 크게 기여할 수 있지만, 상용화를 위해서는 다음과 같은 과제들을 극복해야 합니다.

장기 안정성: 페로브스카이트 태양 전지는 기존 실리콘 태양 전지에 비해 수명이 짧다는 단점이 있습니다. 상용화를 위해서는 습도, 온도, 빛 등 외부 환경 요인에 대한 저항성을 높여 20년 이상 안정적으로 작동하는 기술 개발이 필요합니다.

해결 방안:

페로브스카이트 조성 최적화: 무기물 페로브스카이트 또는 이중 또는 삼중 양이온 페로브스카이트를 사용하여 안정성을 향상시키는 연구가 진행 중입니다.
계면 제어 기술 개발: 소자 내부의 계면에서 발생하는 화학 반응을 억제하고, 수분 및 산소의 침투를 차단하는 기술 개발이 중요합니다.
봉지 기술 개선: 외부 환경으로부터 소자를 효과적으로 보호하기 위한 고성능 봉지 기술 개발이 필요합니다.

대면적화: 실험실 수준의 작은 면적에서는 높은 효율을 보이지만, 대면적 제작 시 효율이 감소하는 문제점이 있습니다. 상용화를 위해서는 대면적 제작 시에도 균일한 품질과 높은 효율을 유지할 수 있는 기술 개발이 필요합니다.

해결 방안:

용액 공정 기술 개선: 잉크젯 프린팅, 슬롯 다이 코팅, 스프레이 코팅 등 대면적에 적합한 용액 공정 기술 개발 및 최적화가 필요합니다.
결정 성장 제어 기술 개발: 대면적에서도 균일하고 큰 결정을 성장시켜 결함 밀도를 낮추고 효율을 향상시키는 기술 개발이 중요합니다.

생산 비용 절감: 페로브스카이트 태양 전지는 제작 비용이 저렴하다는 장점이 있지만, 상용화를 위해서는 생산 단가를 더욱 낮추는 노력이 필요합니다.

해결 방안:

저렴한 원료 물질 사용: 고가의 원료 물질 대신 저렴한 대체 물질을 사용하는 연구가 필요합니다.
공정 단순화: 공정 단계를 줄이고 단순화하여 생산 비용을 절감하는 기술 개발이 필요합니다.
결론적으로 페로브스카이트 태양 전지 기술은 높은 효율과 저렴한 제작 비용이라는 장점을 가지고 있지만, 상용화를 위해서는 장기 안정성 확보, 대면적화, 생산 비용 절감이라는 과제를 극복해야 합니다. 끊임없는 연구 개발을 통해 이러한 과제들을 해결한다면 페로브스카이트 태양 전지는 차세대 태양 전지로서 에너지 문제 해결에 크게 기여할 수 있을 것입니다.