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새로운 페로브스카이트 태양전지 ....

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글쓴이 최고관리자 등록일 15-03-20 14:10
조회 755

    연구팀의 연구는 태양 전지의 사용을 위해 광흡수 페브로스카이트 필름들을 만드는 새로운 길을 열었다.

    새로운 방법은 현재의 결정화 방법에서 이용된 고속 가열에 비해 나은 페로브스카이트 결정들을 개발하는데 실온 용매법을 이용했다. "Room-Temperature Crystallization of Hybrid-Perovskite Thin Films via Solvent-Solvent Extraction for High-Performance Solar Cells"라는 제목으로 왕립 화학회 Journal of Materials Chemistry A 에 게재된 연구는 이 기술이 대면적에 걸쳐 두께를 정확하게 조정하며 고품질 결정 필름들을 제조하고 페로브스카이트 전지를 위해 대량 생산 방법을 향한 방법을 제시할 수 있다는 것을 보이고 있다.

    결정질 물질들 중 한 부류인 페브로스카이트는 청정 에너지에서 돌풍을 일으켰다. 페브로스카이트 필름은 아주 좋은 광흡수제이고, 표준 태양 전지에서 사용되는 실리콘 웨이퍼들보다 만들기가 훨씬 싸다. 페브로스카이트 전지의 효율(전기로 변환되는 빛의 %)은 단 몇 년 사이에 믿기 어려운 속도로 증가하였다. 2009년에 소개된 첫 페브로스카이트 전지는 오직 약 4%의 효율을 가졌고, 이는 표준 실리콘 전지에서 얻어진 25 퍼센트 효율에 비해 훨씬 뒤떨어진 것이었다. 그러나, 지난해까지 페브로스카이트 전지는 20% 이상의 더 좋은 효율을 달성하였다. 이러한 빠른 성능 개선이 이루어지고 있고, 연구팀은 상업제품들에 페브로스카이트 전지들을 사용하는데 노력을 기울이고 있다.

    필름들을 만드는 서로 다른 많은 방법들이 있지만, 거의 모두가 열을 필요로 한다. 페브로스카이트 프리커서 화학물질들은 용액에 용해되고, 이후 기판에 코팅된다. 열은 기판 표면에 필름을 형성하기 위한 페브로스카이트 결정들을 남겨두면서 솔벤트를 제거하기 위하여 적용된다.

    상대적으로 작은 영역인 평방 센티미터 정도에 걸쳐 좋은 필름들을 만들었다. 그러나, 100에서 150도씨 온도로 가열해야 했고 이 가열 과정은 수많은 문제들을 일으키고 있다고 분자와 나노크기 혁신을 위한 연구소 소장이며 공학 교수인 니틴 파드츄어 박사가 전했다.예를 들어, 이 결정들은 박막 내 작은 핀홀 (pinhole)들을 남기도록 가열될 때 자주 평평하지 않게 형성된다. 태양 전지에서, 핀홀들은 효율을 감소시킬 수 있다. 또한 열은 필름이 증착될 수 있는 기판을 제한한다. 예를 들어, 플렉서블 플라스틱 기판들은 고온에서 손상을 입기 때문에 이용될 수 없다.

    파드츄어 박사의 연구실 대학원생인 유앤유앤 조우는 만약 열을 이용하지 않고 페로브스카이트 결정 박막을 만들 수 있는 방법을 찾고 싶어했다. 그는 용매-용매 추출 (SSE) 접근법으로 알려진 방법을 생각해 냈다.

    그의 방법에서, 페로브스카이트 프리커서들은 NMP라는 용매에 분해되고 기판 상으로 코팅된다. 이후, 가열하는 대신, 이 기판은 NMP 용매를 선택적으로 분해하고 사라지게 하는 두 번째 용매인 디에틸 에테르 (DEE) 내 담궈진다. 이후 남겨진 것은 매우 평평한 페로브스카이트 결정들이었다.

    열이 포함되지 않기 때문에, 이 결정은 플렉서블 광전지에 사용되는 매우 열에 민감한 폴리머 기판들을 포함한 어떠한 기판 상에서도 형성될 수 있다. 또 다른 장점은 전체 SSE 결정 과정이 열처리의 경우 한 시간 이상 걸리는 것에 비하여 2분 이내에 끝난다는 것이다. 이는 조립 라인 과정 중에 수행될 수 있기 때문에 대량 생산에 적용되기 쉬울 것이다.

    또한 SSE 접근법은 높은 품질을 유지하며 매우 얇게 필름들을 만들 수 있게 해 줄 것이다. 표준 페로브스카이트 필름들은 일반적으로 약 300나노미터 두께 정도이다. SSE 필름들은 핀홀들의 발생없이 수 평방 센티미터로 더 크게 만들어질 수 있다.

    다른 방법들을 이용하여, 두께가 100나노미터 이하로 만들려고 할 때, 필름을 전체적으로 코팅하기 매우 힘들다. 필름을 형성시킬 수 있다고 하더라도 수 많은 핀홀들을 갖게 될 것이다. 개발된 공정에서, 실온에서 결정화가 훨씨 더 균형을 이루고 전체 필름에 걸쳐 즉시 형성되기 때문에 20나노미터까지 평평한 필름을 형성할 수 있을 것이라고 연구원들이 말했다.

    이런 매우 얇은 필름들은 부분적으로 투명해서 광전 창을 만드는데 이용될 수 있다. 페로브사카이트 프리커서 용액 성분을 변화시키면서, 연구원들은 서로 다른 색깔을 가진 전지들을 만들 수 있었다.이는 전력을 만들 수 있는 장식가능한 빌딩 적용 창들에 유용할 것으로 기대된다.

    연구원들은 이 공정을 개선하는데 더 많은 연구를 진행할 예정이지만, 초기 결과들에 이미 만족하고 있다. 콜로라도 내 국립 재생가능 에너지 연구소 과학자들과 함께 연구하여 SSE 필름으로 만들어진 전지들의 초기 시험들은 15퍼센트 이상의 전환 효율을 보였다. 이 공정을 이용하여 만든 반투명 80나노미터 필름들에 기반한 태양전지들은 다른 초박막보다 더 우수한 효율을 보였다.

    파드츄어 박사는 이 방법이 상업적으로 가용한 다양한 페로브스카이트 전지 생산품들을 향해 한 발자국 더 다가설 수 있게 했다고 평가했다.

    그림 설명: 연구팀은 태양 전지를 위한 페브로스카이트 필름을 만들기 위한 새로운 방법을 찾았다. 이 기술은 반투명 초박막 필름을 만드는데 특히 잘 맞고, 이로 인해 윈도우 광전지에 유용할 것이다. 또한, 전지들은 서로 다른 색깔들로 만들어질 수 있다. 

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