맞춤형 2D 페로브스카이트를 사용한 모든 페로브스카이트 탠덤에서의 균질 접촉 개선 및 대규모 소자 효율 향상

Belangrijkste concepten

대규모 페로브스카이트 태양 전지의 효율성을 저해하는 요인 중 하나인 상단 계면의 불균일성을 개선하여 효율성을 크게 향상시켰습니다.

Samenvatting

고효율 대면적 페로브스카이트 태양 전지 개발 연구 논문 요약

서지 정보: Jeong, M., et al. (2023). Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite. Science, 380(6641), 46-52.

연구 목표: 대면적 페로브스카이트 태양 전지의 효율성 저하 문제를 해결하고자, 본 연구는 상단 계면에서 발생하는 불균일성을 최소화하여 소자 성능을 향상시키는 것을 목표로 한다.

연구 방법: 연구팀은 4-플루오로페네틸아민(F-PEA)과 4-트리플루오로메틸-페닐암모늄(CF3-PA)의 혼합물을 사용하여 맞춤형 2차원 페로브스카이트 층(TTDL)을 만들었다. F-PEA는 표면에서 2차원 페로브스카이트를 형성하여 접촉 손실과 불균일성을 줄이고, CF3-PA는 전하 추출 및 전송을 향상시킨다. 이를 통해 1.77 eV의 WBG PSC에서 1cm2 크기에서 1.35V의 높은 개방 회로 전압과 20.5%의 효율을 달성했다. 또한, 좁은 밴드갭 페로브스카이트 서브셀과 쌓아서 1.05 cm2 크기의 모든 페로브스카이트 탠덤 셀을 제작하여 28.5% (인증 효율 28.2%)의 효율을 달성했다.

주요 연구 결과:

• 맞춤형 2차원 페로브스카이트 층(TTDL)을 도입하여 상단 계면의 불균일성을 효과적으로 감소시켰다.
• TTDL을 통해 전자 수송층과 페로브스카이트 층 사이의 접촉 저항을 줄이고 전하 추출을 향상시켰다.
• 1cm2 크기의 WBG PSC에서 20.5%의 높은 효율을 달성했으며, 이는 대면적 페로브스카이트 태양 전지의 효율성 향상 가능성을 보여준다.
• 1.05 cm2 크기의 모든 페로브스카이트 탠덤 셀에서 28.5%의 높은 효율을 달성하여, 현재까지 보고된 모든 페로브스카이트 탠덤 셀 중 가장 높은 효율을 기록했다.

결론: 본 연구는 페로브스카이트 태양 전지의 상단 계면 처리가 소자 성능 향상에 매우 중요하다는 것을 보여준다. 특히, 맞춤형 2차원 페로브스카이트 층을 도입하여 계면 접촉을 개선하고 불균일성을 줄임으로써 대면적 페로브스카이트 태양 전지의 효율성을 크게 향상시킬 수 있음을 입증했다.

연구의 의의: 본 연구는 고효율 대면적 페로브스카이트 태양 전지 개발에 중요한 기여를 했으며, 향후 페로브스카이트 태양 전지 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다.

연구의 한계점 및 향후 연구 방향: 본 연구는 특정 종류의 페로브스카이트 재료와 전자 수송층에 초점을 맞추고 있다. 다른 종류의 페로브스카이트 재료 및 소자 구조에 대한 추가 연구를 통해 본 연구 결과의 일반성을 확인하고, 효율성을 더욱 향상시킬 필요가 있다.

Statistieken

1 cm2 크기의 모든 페로브스카이트 탠덤 태양 전지의 인증 효율은 28.2%입니다.
1.05 cm2 크기의 모든 페로브스카이트 탠덤 셀은 28.5%의 효율을 제공합니다.
1.77 eV WBG PSC는 1cm2 크기에서 20.5%의 효율을 달성했습니다.
1.77 eV WBG PSC는 1cm2 크기에서 1.35V의 개방 회로 전압을 달성했습니다.

Citaten

"The certified efficiency of 1-cm2 scale all-perovskite tandem solar cells lags behind their small-area (~0.1 cm2) counterparts."
"This performance deficit originates from inhomogeneity in wide-bandgap (WBG) perovskite solar cells (PSCs) at a large scale."
"Here we uncover another crucial source for the inhomogeneity – the top interface formed during the deposition of the electron transport layer (ETL, C60)."

Belangrijkste Inzichten Gedestilleerd Uit

Homogenized contact in all-perovskite tandems using tailored 2D perovskite - Nature

by Yurui Wang,R... om www.nature.com 10-14-2024

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08158-6

Diepere vragen

페로브스카이트 태양 전지 기술의 상용화를 위해서는 어떤 과제를 극복해야 할까요?

페로브스카이트 태양 전지 기술은 높은 효율과 저렴한 제조 비용으로 차세대 태양 전지로 주목받고 있지만, 상용화를 위해서는 다음과 같은 과제들을 극복해야 합니다.

대면적화: 연구 단계에서는 높은 효율을 보이지만, 상용화를 위해서는 대면적 제조 기술이 필수적입니다. 특히, 본문에서 언급된 것처럼 대면적 제조 시 발생하는 효율 저하 문제는 반드시 해결해야 할 과제입니다. 이는 대면적화 과정에서 필연적으로 발생하는 박막의 균일성 저하 및 결함 밀도 증가와 밀접한 관련이 있습니다.
장기 안정성 확보: 페로브스카이트는 습도, 온도, 빛 등 외부 환경 요인에 취약하여 장기 안정성이 낮다는 문제점이 있습니다. 상용화를 위해서는 캡슐화 기술 개선, 조성 제어, 계면 passivation 등을 통해 장기 안정성을 확보하는 것이 중요합니다.
유독성 문제 해결: 페로브스카이트 재료에는 납과 같은 유독 성분이 포함되어 있어 환경 오염 및 건강 문제를 야기할 수 있습니다. 따라서 납을 대체할 수 있는 친환경 소재 개발 또는 납 누출을 방지하는 캡슐화 기술 개발이 필요합니다.
제조 단가 절감: 페로브스카이트 태양 전지 제조 공정은 아직까지는 기존 실리콘 태양 전지에 비해 비용이 높습니다. 따라서 저렴한 재료 사용, 공정 단순화, 대량 생산 기술 개발 등을 통해 제조 단가를 절감하는 것이 중요합니다.

본문에서 제시된 상단 계면 개선 기술은 대면적 페로브스카이트 태양 전지의 효율을 향상시키는 데 크게 기여할 수 있으며, 이는 상용화를 위한 중요한 발걸음이 될 것입니다. 하지만 위에서 언급한 다른 과제들 역시 동시에 해결되어야 페로브스카이트 태양 전지가 상용화되어 그 잠재력을 최대한 발휘할 수 있을 것입니다.

이 연구에서 제시된 상단 계면 개선 기술이 다른 유형의 태양 전지에도 적용될 수 있을까요?

이 연구에서 제시된 상단 계면 개선 기술은 페로브스카이트 태양 전지의 효율성을 크게 향상시켰지만, 다른 유형의 태양 전지에 적용 가능성은 각 태양 전지의 구조 및 작동 원리에 따라 달라질 수 있습니다.
적용 가능성이 높은 경우:

유기 태양 전지 (OSC): 페로브스카이트 태양 전지와 유사하게 유기물 반도체를 사용하는 유기 태양 전지는 계면에서의 전하 재결합 손실이 큰 문제로, 본 연구에서 사용된 TTDL과 같은 계면층 도입을 통해 효율 향상을 기대할 수 있습니다. 특히, F-PEA와 CF3-PA의 조합을 통한 에너지 레벨 조절 및 전하 추출 능력 향상은 유기 태양 전지에도 적용 가능성이 높습니다.
염료 감응형 태양 전지 (DSSC): 염료 감응형 태양 전지 역시 계면에서의 전자 전달 효율이 중요한 요소입니다. 본 연구에서 제시된 계면층 도입을 통해 전자 전달 속도를 향상시키고 계면에서의 재결합을 억제하여 효율을 높일 수 있습니다.
적용 가능성이 낮은 경우:

실리콘 태양 전지: 실리콘 태양 전지는 이미 높은 효율과 안정성을 가진 기술로, 페로브스카이트 태양 전지와 같은 계면 문제가 크지 않습니다. 오히려 실리콘 태양 전지의 효율 향상을 위해서는 표면 패시베이션 기술, 광 흡수층 두께 감소 등 다른 방식의 접근이 필요합니다.
결론적으로, 이 연구에서 제시된 상단 계면 개선 기술은 유기 태양 전지, 염료 감응형 태양 전지 등 계면에서의 전하 거동이 중요한 다른 유형의 태양 전지에도 적용될 가능성이 있습니다. 하지만 각 태양 전지의 특성을 고려하여 계면층의 재료 및 구조를 최적화하는 연구가 추가적으로 필요합니다.

이 연구 결과를 바탕으로 태양 전지 기술이 인류의 에너지 문제 해결에 어떤 역할을 할 수 있을지 생각해 봅시다.

본 연구에서 제시된 고효율, 대면적 페로브스카이트 태양 전지 기술은 미래 에너지 문제 해결에 중요한 역할을 할 수 있습니다.

화석 연료 의존도 감소: 태양 에너지는 지구상에서 가장 풍부하고 지속 가능한 에너지원입니다. 고효율 태양 전지 기술은 화석 연료 의존도를 낮추고 탄소 배출 감소에 크게 기여할 수 있습니다. 특히, 기후 변화 대응을 위한 파리기후협약 목표 달성을 위해서는 태양 에너지와 같은 재생에너지 사용 확대가 필수적입니다.
에너지 접근성 향상: 페로브스카이트 태양 전지는 저렴한 비용으로 제작이 가능하여 전력망 접근성이 낮은 개발도상국을 비롯하여 다양한 지역에 에너지를 공급할 수 있습니다. 이는 에너지 빈곤 문제 해결과 삶의 질 향상에 기여할 수 있습니다.
다양한 분야에 적용 가능: 가볍고 유연한 특성을 지닌 페로브스카이트 태양 전지는 건물 외벽, 자동차, 모바일 기기 등 다양한 분야에 적용되어 에너지 생산 및 소비 효율을 높일 수 있습니다. 이는 스마트 도시 구축, 전기 자동차 보급 확대 등 미래 사회의 에너지 시스템 변화를 이끌 수 있습니다.

물론, 앞서 언급된 상용화를 위한 과제들을 해결하는 것이 중요하며, 이를 위해서는 지속적인 연구 개발과 투자가 필요합니다. 하지만 본 연구 결과는 페로브스카이트 태양 전지 기술의 잠재력을 보여주는 중요한 발걸음이며, 미래에는 태양 에너지가 인류의 주요 에너지원으로 자리매김하는데 크게 기여할 것으로 기대됩니다.