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페로프스카이트 태양전지의 변환....

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글쓴이 최고관리자 등록일 15-05-07 21:16
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     국립연구개발법인 물질재료연구기구(NIMS) 태양광발전재료유닛 연구팀은 페로프스카이트 태양전지의 에너지 변환효율에서 세계에서 처음으로 국제표준시험기관의 기록이 공인된 변환효율 15%를 달성하였다.

    인류가 직면한 환경에너지문제의 해결을 위해서는 태양광에너지가 널리 주목을 받고 있으며, 현재 실리콘계 태양전지가 실용화되어 있다. 생산량의 확대에 의해 제조비용은 상당히 낮아졌지만, 화력발전 등 종래 발전방법과 비교하여 발전비용이 아직 높기 때문에 저비용으로 제조 가능한 고효율 태양전지가 요구되고 있다. 한편 투명전극(TCO), 블로킹층, 페로프스카이트층, 캐리어수송층, 표면전극에로 구성된 페로프스카이트 태양전지는 저가의 재료로 제조가 가능하며, 고온, 고진공 프로세스가 필요하지 않고, 도포법으로 대량생산이 가능하기 때문에 발전비용을 대폭 낮출 수 있다.

    최근 도포 프로세스로 제조 가능한 페로프스카이트 태양전지로 15% 이상의 변환효율을 실현하여 큰 주목을 받고 있으며, 현재 세계적으로 격렬한 연구경쟁이 시작되고 있다. 지금까지의 실적으로는 상당히 작은 셀로 변환효율 20.1%(셀 면적 0.0955cm2)가 보고되었지만, 셀 면적이 작기 때문에 측정오차가 크고, 측정방법도 공개되지 않았다. 신뢰성을 가진 데이터에 기초한 페로프스카이트 태양전지의 발전에는 국제표준측정기관에서 공인 변환효율을 얻는 것이 급선무이다. 그러나 측정오차를 작게 하기 위해 셀 면적을 확대하는 데에는 페로프스카이트 태양전지 셀의 균일성, 재현성 향상이 필요하다. 그리고 국제적인 표준시험기관에 의한 공인을 얻는 것은 변환효율이 저하되지 않는 높은 안정성을 요구한다. NIMS는 1년 전부터 페로프스카이트 태양전지의 연구를 시작하여 페로프스카이트 태양전지의 모폴로지(morphology)의 제어, 고성능 캐리어 수송재료의 개발에 의한 고효율화 연구를 수행하고 있다.

    이번에 연구팀은 페로프스카이트 태양전지의 국제적인 표준시험기관 공식 데이터로서 처음으로 공인 변환효율 15%(셀 면적 1.017cm2)를 달성하였다. 연구그룹은 셀 효율의 재현성을 향상시키기 위해 페로프스카이트 발전층의 도포조건을 개량하여 페로프스카이트 표면의 굴곡을 엄밀하게 제어한 결과, 변환효율 14~16%의 페로프스카이트 태양전지를 높은 재현성으로 제작하였다.

    또한 캐리어 수송층에 주입한 리튬염의 흡습성이 강하고, 페로프스카이트 태양전지의 안정성을 저해하지 않는다는 것을 발견하였다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 리튬염을 사용하지 않고, 캐리어 이동도가 높은 신규 수송재료를 개발하고, 셀의 봉지방법을 개량함으로써 200시간이 경과되더라도 변환효율이 변화되지 않는 수명이 긴 태양전지의 제작에 성공하였다. 이 성과를 기초로 제작된 1cm2의 태양전지에 대해 유의 태양광 AM1.5G(100mW cm-2)의 조사조건 하에서 단락전류밀도 20.96mA cm-2, 개방전압 1.090V, 필팩터 0.668을 실측하여 변환효율 15.00%를 확인하였다.

    이번에 연구팀은 면적 1cm2의 셀을 제작하여 처음으로 국제표준시험기관에서 변환효율 15%를 인정받아 페로프스카이트 태양전지에 관한 실력을 발휘하였다. 또한 면적 1cm2의 셀 변환효율은 장래 대면적 집적화 모듈의 변환효율을 추정할 수 있기 때문에 페로프스카이트 태양전지의 실용화에 큰 의의가 있다.

    (그림 1) 페로프스카이트 태양전지의 모식도

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