페로브스카이트 태양 전지 소개
페로브스카이트 태양 전지의 구조는 아래 그림과 같습니다. 페로브스카이트 태양 전지의 핵심은 페로브스카이트 결정 구조(에이비엑스₃)를 갖는 유기 금속 할로겐화물로 구성된 광흡수 물질입니다(첨부 그림에 단위 셀 구조가 표시되어 있습니다). 이 페로브스카이트 에이비엑스₃ 구조에서,에이는 메틸암모늄 그룹(CH₃NH₃⁺)입니다.비금속 납 원자이고엑스염소, 브롬, 요오드와 같은 할로겐 원자입니다. 현재 고효율 페로브스카이트 태양 전지에서 가장 널리 사용되는 페로브스카이트 물질은 다음과 같습니다.메틸암모늄 납 요오드화물(CH₃NH₃납(PbI)₃). 대략 밴드갭이 있습니다.1.5eV높은 소광 계수를 가지고 있으며, 두께가 수백 나노미터에 불과한 박막으로도 최대 800nm의 태양광을 충분히 흡수할 수 있습니다. 더욱이, 이 소재는 제조가 간단합니다. 납(PbI)₂와 CH₃NH₃I를 함유한 용액을 실온에서 스핀 코팅하여 균일한 박막을 얻을 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 페로브스카이트형 구조인 CH₃NH₃납(PbI)₃는 가시광선과 근적외선 스펙트럼의 일부를 흡수할 뿐만 아니라, 재결합이 덜 일어나는 광생성 캐리어를 생성하여 에너지 손실을 최소화합니다. 이것이 페로브스카이트 태양 전지가 높은 효율을 달성할 수 있는 근본적인 이유입니다.
그림: 페로브스카이트 물질의 결정 구조(CH₃NH₃납(PbI)₃를 예로 들 수 있음) 및 페로브스카이트 태양 전지 구조의 개략도.
페로브스카이트 광흡수 물질의 조성은 비교적 고정되어 있으며, A, B, X 위치에 있는 원자(또는 그룹)의 반경에 엄격한 제약이 따릅니다. 최근 일부 연구진은 A 위치에 있는 메틸암모늄 그룹을포름아미디늄(파⁺), 밴드갭을 좁히다1.48eV더 높은 광전류를 달성합니다.B 사이트납(납)을 주석(주석)으로 대체한 경우 아직까지 광전 반응이 보고된 바가 없습니다.X 사이트염소, 브롬, 요오드와 같은 원자를 사용할 수 있지만, 요오드 기반 페로브스카이트만이 높은 변환 효율에 적합한 밴드갭을 갖습니다. CH₃NH₃납(PbI)₃ 외에도,CH₃NH₃납(PbI)₃₋ₓClₓ또한 널리 연구되고 있습니다. 기본 에너지 준위 구조를 유지하면서 소량의 염소 도핑을 통해 전자 이동도를 향상시켜 우수한 광전 성능을 보일 수 있습니다. 그러나 실리콘 기반 소재와 비교했을 때, 일반적으로 사용되는 페로브스카이트 광흡수 소재는 다음과 같은 단점을 가지고 있습니다.광 반응 범위가 충분히 넓지 않고, 물과 일부 용매에 민감하며, 중금속 납을 함유하고 있음. 따라서 페로브스카이트 재료를 찾는 것은더 좁은 밴드갭, 더 나은 화학적 안정성 및 환경 친화성매우 의미가 있습니다.
페로브스카이트 박막 태양 전지의 개발은염료감응형 태양전지(DSSC)지난 20년간 DSSC, 유기 태양 전지 등에서 축적된 기술을 활용하여 페로브스카이트 태양 전지는 빠르게 발전해 왔습니다. 가장 초기에 사용된 페로브스카이트 태양 전지는이산화티타늄₂ 광양극을 감응시키기 위한 CH₃NH₃납(PbI)₃ 및 액체 I₃⁻/I⁻ 전해질, 효율성만 달성3.8%(6.5%로 최적화). 그러나 액상 I₃⁻/I⁻ 전해질에서 CH₃NH₃납(PbI)₃의 불안정성으로 인해 셀 안정성이 낮았고, 이 분야의 연구는 현재 제한적입니다. 액상 I₃⁻/I⁻ 전해질을고체 정공 수송 물질(HTM)(예: 스피로-오메타드, P3HT)는 세포 효율성을 크게 향상시켜16%염료감응형 태양전지의 최고 효율(13%)을 능가하고, 우수한 안정성을 입증했습니다.
이를 바탕으로,H. 스네이스 등다공성 스캐폴드 층 n형 반도체 이산화티타늄₂를 다음과 같은 절연 물질로 대체했습니다.알₂O₃ 또는 지르코니아₂정공 수송 재료를 사용하여 박막 태양 전지를 조립하여 높은 효율(보고된 최고 효율은 15.9%)을 달성했습니다. 이 결과는 페로브스카이트 재료 CH₃NH₃납(PbI)₃ 자체가 우수한 전자 전도 능력을 가지고 있음을 시사합니다. 절연 재료 스캐폴드 층을 기반으로 하는 페로브스카이트 태양 전지는 원칙적으로 기존의 감광 개념을 넘어메조스코픽 초구조 이종접합 태양 전지. 또한, 절연 스캐폴드 층을 제거하고 균일한 고품질 페로브스카이트 필름을 사용하여평면 이종접합 셀또한 높은 효율(보고된 최고 효율은 15.7%)을 달성할 수 있습니다. 반면, 정공 수송 물질 없이도 페로브스카이트와 다공성 이산화티타늄₂ 사이에 형성된 이종접합 셀은 10.5%의 효율을 달성했습니다. 이 구조에서 페로브스카이트는 콜로이드 양자점 태양 전지와 유사하게 광 흡수와 정공 수송이라는 두 가지 역할을 수행합니다. 또한, 페로브스카이트 물질을 광 흡수층으로 사용하여유기 태양 전지 구조풀러렌 유도체 PCBM을 전자 전달층으로, 페닷:PSS를 정공 전달층으로 사용하여 효율을 초과합니다.12%기존 유기/고분자 태양 전지의 최고 성능을 능가하는 성과를 달성했습니다. 유기 태양 전지 구조를 기반으로 한 페로브스카이트 태양 전지는대량 생산을 위해 유연하고 롤투롤 방식으로 생산됨. 현재 이러한 유연한 페로브스카이트 셀은 높은 효율을 달성했습니다.9.2%.
그림: 페로브스카이트 태양 전지의 구조.
페로브스카이트 재료가 효율을 초과할 수 있다는 사실10%이러한 매우 다른 태양 전지 구조는 미래의 실제 응용 분야에서 다음과 같은 것을 시사합니다.여러 구조가 공존하고 경쟁할 수 있습니다.동시에, 재료의 기본 특성과 셀의 작동 원리에 대한 심층적인 연구와 이해가 필수적입니다. 이는 페로브스카이트 태양 전지의 성능을 더욱 향상시키는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 더 단순하고 효율적인 새로운 구조를 개발하는 데에도 도움이 될 것입니다.
