두 개의 독립적인 연구팀은 7월 6일 사이언스 저널에 태양전지의 광전 변환 효율이 30%를 넘었다는 연구 결과를 발표했습니다. 즉, 페로브스카이트/결정질 적층 태양전지입니다.

수십 년 동안 단결정 실리콘 태양전지는 광전지 산업의 주력이었습니다. 전류 변환 효율은 24% 이상에 도달할 수 있지만 이론적인 효율 한계인 약 29.4%가 적용됩니다. 이러한 한계를 극복하고 태양 에너지의 사용을 더욱 촉진하기 위해 과학자들은 두 개 이상의 태양 전지를 직렬로 연결하는 것을 포함하여 장치를 혁신하기 위한 새로운 재료 아키텍처를 탐구해 왔습니다.

페로브스카이트 태양전지는 2009년 처음 등장한 이후 폭넓은 관심을 받아왔다. 기존 실리콘 기반 태양광 시장에 진출하기 위해 광전 변환 효율을 향상시키는 한편, 실리콘과 결합하여 새로운 배터리(페로브스카이트/결정질 실리콘 적층 태양전지)를 형성합니다.

이 적층형 배터리에서는 페로브스카이트 배터리가 결정질 실리콘 배터리 위에 증착됩니다. "두 가지 방법은 태양 에너지를 더 잘 활용하기 위해 태양 스펙트럼의 서로 다른 부분을 효과적으로 포착할 수 있습니다." 스위스 로잔에 있는 연방공과대학(Federal Institute of Technology)의 Qin Xinyu(새로운 연구 중 하나의 제1저자이자 교신저자)는 말했습니다. 예를 들어 페로브스카이트 소재는 실리콘에 비해 청색광이나 자외선 등 더 높은 에너지의 부품을 사용할 수 있다. 이렇게 두 개의 보조 배터리의 출력을 결합함으로써 적층형 배터리는 단일 접합 배터리보다 더 높은 에너지 출력을 달성할 수 있다.

그러나 현재 페로브스카이트/결정질 실리콘 적층 태양전지는 여전히 몇 가지 주요 과제에 직면해 있으며, 그 중 하나는 페로브스카이트 하위 전지의 상단 표면과 전자 수송층 사이의 경계면에서의 재결합 손실입니다. 복합 손실은 광 운반체(전자와 정공)가 수집되어 사용되기 전에 재결합하여 효율성 손실을 초래하는 것을 의미합니다. Qin Xinyu가 설명했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 Qin Xinyu 등은 페로브스카이트의 결정화 과정을 조절하기 위해 인산 기반 첨가제를 도입했습니다. 결과는 이 방법이 페로브스카이트 층과 전자 전송 층 사이의 계면을 효과적으로 통과시켜 배터리의 전체 성능에 영향을 미치는 복합 손실을 줄일 수 있음을 보여줍니다. 그 결과 페로브스카이트/결정질 실리콘 적층 태양전지는 31.25%(30% 이상)의 인증된 광전 변환 효율을 갖습니다. 이는 적층형 태양전지 기술의 큰 잠재력을 다시 한 번 확인시켜준다"고 Qin Xinyu는 말했습니다.

난징 대학교 Tan Hairen 연구 그룹의 Kong Wenchi(이 두 가지 새로운 연구에 참여하지 않음)도 이에 대해 다음과 같이 논평했습니다. "적층 배터리의 효율성은 단일 접합 태양 전지의 이론적 효율성 한계를 초과했으며 이는 큰 의미가 있습니다. 태양광산업 발전을 도모하겠습니다." 올해 1월, Tan Hairen 팀과 공동 연구자들은 Advanced Materials 저널에 페로브스카이트 결정화를 지원하기 위한 유기 음이온 첨가제 전략을 개발한 연구를 발표했으며, 마침내 약 28% 페로브스카이트/결정질의 광전 변환 효율을 달성했습니다. 실리콘 적층 태양전지.

또한 독일 헬름홀츠에 있는 베를린 재료 에너지 센터의 스티브 알브레히트(다른 연구의 교신저자)가 또 다른 새로운 연구를 주도했습니다. Qin Xinyu 팀의 연구와 달리 Albrecht 팀은 페로브스카이트 층과 전자 수송층 사이에 위치한 이중 기능 분자 PI(Piperazinium Iodide)를 사용합니다. 주로 이 인터페이스에서 브리지 역할을 하며 복합 손실을 줄입니다. 공웬치가 말했다. 동시에 전자수송층이 페로브스카이트층에서 전자를 추출하는 것을 촉진시켜 전자전달효율을 향상시킨다. 이 적층형 태양전지의 인증된 변환 효율은 32.5%에 달했습니다.

이 두 가지 새로운 연구에 설명된 프로토타입은 실험실 규모로 제한되어 있으며 수명이 만족스럽지 않다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 수십 또는 수백 시간이 지나면 변환 효율이 초기 80%로 감소합니다. 이에 비해 시중에 판매되는 단결정 실리콘 태양전지는 25년 후에도 초기 효율의 85% 이상을 유지할 수 있다.

Qin Xinyu는 이러한 물질이 30% 이상의 변환 효율을 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다는 것을 알고 있었기 때문에 이러한 혁신에 "놀라지 않았다"고 말했으며, 이제 그 결과는 이 태양광 기술이 유망하다는 것을 입증합니다. 그러나 태양광 시장에 진입하려면 관련 기술을 더욱 개선하고 개선해야 하며 "5~10년이 걸릴 것으로 예상된다"고 Qin Xinyu는 말했습니다.