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에너지 효율이 높은 저렴한 박막 ....

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글쓴이 최고관리자 등록일 14-04-18 11:33
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    * 그림1 : CH3NH3PbI3 페로보스카이트의 시뮬레이션 결정구조



    매우 얇은 두 개의 유기 반도체 사이에 샌드위치 형태로 끼어 있는 혼성 유기-무기 페로브스카이트(perovskite) 필름으로 개발된 태양전지가 유연성과 에너지 효율성을 증명하고 있다.

    햇빛을 전기로 바꿀 수 있는 대다수의 태양전지들은 값비싼 재료인 결정 실리콘을 기반으로 한다. 다결정 박막 태양전지는 생산비가 저렴하지만, 종종 텔루르화카드뮴이나 황화카드뮴과 같은 희귀하고 독성이 있는 원소들을 기반으로 한다. 풍부하게 이용할 수 있고 저렴한 재료로 고효율 박막 태양전지를 개발하게 된다면, 태양에너지를 재생자원으로서 더 많이 이용할 수 있게 될 것이다. 그러한 재료 한 가지가 메틸암모늄 납 요오드화물(methylammonium lead iodide : CH3NH3PbI3) 페로브스카이트이다(그림1). CH3NH3PbI3 페로보스카이트가 태양전지용 흡수체로서 처음 등장한 이후 몇 년 동안, 페로보스카이트 기반 태양전지의 성능은 급속히 향상되었고, 15% 정도의 높은 효율에도 도달하였다. 지금까지 보고된 대부분의 고효율 페로보스카이트 태양전지들은 알루미늄산화물, 티타늄산화물, 혹은 지르코늄 산화물과 같은 금속 산화물을 이용하고 있는데, 이 재료들은 모두 고온소결 공정을 필요로 한다.
    그런데 스페인 발렌시아대(University of Valencia)와 스위스연방공대(Swiss Federal Institute of Technology)의 연구진은 두 개의 얇은 전하수송층 사이에 샌드위치 형태로 끼어 있는 CH3NH3PbI3 페로보스카이트가 12%라는 높은 전력변환효율(PCE)을 가진 태양전지가 될 수 있다는 것을 입증하였다.

    연구진은 두 가지 시작물질인 메틸암모늄 요오드화물과 납 요오드화물을 공증착시켜서 CH3NH3PbI3 페로보스카이트 박막을 준비했다. 그렇게 만들어진 필름은 깨끗하고 매끈하며 결정영역이 크다. 광전류를 증가시키기 위해서는 전자층과 양전하 운반자차단층 사이에 페로보스카이트 필름을 샌드위치 형태로 끼우는 것이 필요했다. 연구진은 폴리TPD(arylamine-containing polymer)와 PCBM([6,6]-phenyl C61-butyric acid methylester)을 각각 전자층과 양전하 운반자차단층으로 사용했다(그림2). 폴리TPD의 가장 낮은 비점유 분자오비탈은 페로보스카이트의 전도대보다도 진공레벨에 더 가까이 존재하지만, PCBM의 가장 높은 점유 분자오비탈은 페로보스카이트의 가전자대보다도 진공레벨에서 더 멀리 떨어져 있다. 이것은 이 층들이 각각 전자와 정공을 효과적으로 차단한다는 것을 의미한다. 연구진은 PEDOT:PSS로 이루어진 얇은 층을 사용하여 투명한 바닥전극으로 사용된 인듐주석산화물의 표면을 매끈하게 만들었다. 모든 유기재료들은 주변공기에서 용액기반 공정을 이용하여 증착되었다. 이렇게 제조된 소자의 개방회로전압(VOC)은 1.05V, 단락회로전류밀도(JSC)는 8.8mAcm^(?2), 충전율(FF)은 0.64이며, 그 결과 PCE는 12.4%가 된다는 것을 연구진은 발견했다. 1cm^2의 더 큰 면적을 가진 전지는 비슷한 VOC와 JSC를 갖지만, FF는 더 낮아서, 최종적인 PCE는 10.9%였다.

    그 다음으로, 연구진은 유연한 페로보스카이트 기반 태양전지를 개발하려고 했다. 투명전도체인 인듐주석산화물을 가진 유리기판을 이용하는 대신, 연구진은 다른 투명전도체를 가진 폴리머 기판을 사용했다. 이 다른 투명전도체는 알루미늄 첨가 산화아연으로 이루어진 두 개의 층 사이에 은 층이 샌드위치 형태로 끼워진 3개의 박막층으로 구성되었다(그림3). 이러한 방식에서는 기판 크기가 작기 때문에, 유기층의 두께 제어가 정밀하지 못하였으며, 그렇게 제조된 소자의 JSC와 VOC 및 FF는 각각 14.3mAcm?2, 1.04V, 0.47이었고, PCE는 7%에 불과했다.
    실제 값 자체보다도 더 중요한 것은 반복된 구부림이 소자의 성능에 미치는 효과이다. 연구진은 직경 6cm인 롤 위로 최대 50 사이클에 걸쳐 구부리면서 효율 특성을 측정함으로써 이러한 효과를 평가하였다. 그 결과 50 사이클 구부린 뒤에도 효율이 매우 작게 감소되었다는 것을 연구진은 확인하였고, 이것은 결정 페로보스카이트가 롤투롤 공정과 호환성이 있다는 것을 증명한다. “향후 연구는 이러한 새로운 소자들의 안정성을 측정하고 모듈 제조에 집중될 것이다. 충분한 안정성이 확인된다면, 이 소자들은 이미 확립된 박막 태양전지 기술들의 강력한 경쟁자가 될 것”이라고 연구진은 말했다.


    * 그림2 : 소자의 층들의 상대적 에너지 수준(왼쪽)과 폴리TPD와 PCBM의 화학구조(오른쪽)


    * 그림3 : 유연한 태양전지





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