고상 메조다공성 페로브스카이트 태양전지의 전하수송, 재결합 그리고 확산길이

전문가 제언

○ 실리콘 태양전지보다 경제적인 여러 박막 태양전지가 개발되어 상업화로 연결되고 있다. 실리콘 태양전지는 발전비용은 높지만 엄청난 고순도의 동종 반도체 재료 내(도핑은 되지만)에서 광 흡수, 여기자 생성, 전하분리, 전하수송이 이루어지는 우수한 특성으로 장기간 신뢰를 받아 왔다. 박막태양전지 중 염료감응 태양전지(DSSC)는 광 흡수와 기타 기능인 여기자 생성, 전하분리, 전하수송이 분리된 설계상의 장점이 있다.

 

○ DSSC는 정공수송재료(HTM)인 액체전해질의 부식성과 누설을 개선하기 위해 액체전해질을 고체 유기물질(spiro-MeOTAD 등)로 교체하여 고상 DSSC로 진화하였다. 통상 광흡수층의 두께가 확산길이 내인 경우는 두꺼울수록 광흡수가 증가하여 효율이 향상되지만 전하수송 경로가 증가하므로 분리된 두 전하가 재결합할 확률이 높아진다. 기능별로 장점이 있는 부품의 분리 적용시험이 쉬운 DSSC에 높은 흡광능력을 인정받은 페로브스카이트 재료가 염료를 대체하여 2004년경 적용되었다.

 

○ 그러나 액체전해질 환경에서 안정성이 떨어지는 난제가 있었다. 이를 2012년 성균관대 박남규 교수가 고품질의 고체 HTM 적용으로 해결하여 효율 9.7%를 달성한 것이 페로브스카이트의 성공신화이다. 한국화학연구원 석상일 박사 등은 2014년 세계 공인기록(16.2%, 17.9%)을 갱신하였다. 태양전지에 사용되는 페로브스카이트 재료는 현재 CH3NH3PbI3 메틸암모늄납할로겐화물이 주가 되고, 이의 증착은 TiO2 골격층 위에서 일단계법이나 순차적 이단계법으로 제자리 합성된다.

 

○ 이 글에서 저자들은 페로브스카이트 태양전지에서 메조다공성 TiO2 층의 두께가 전하수송/재결합 그리고 확산길이에 미치는 영향을 소개하고 있다. 페로브스카이트 태양전지 내 전하수송은 고상 DSSC에서와 비슷하고, 페로브스카이트 자체보다는 TiO2 내 전자전도에 의해 지배받는다. TiO2 두께는 전하수송과 재결합에 큰 영향을 안 미치나 일정한 두께까지는 변환효율을 상승시키고 그 이상에선 FF 등에 연유하여 감소시킨다. 전자 확산길이는 광 강도가 4자리 수 변해도 1㎛ 이상임을 알려준다. 한국 연구진의 실리콘 태양전지 대체가 조속히 성공하기를 기원한다.

저자

Yixin Zhao, Alexandre M. Nardes, and Kai Zhu

자료유형

학술정보

원문언어

영어

기업산업분류

화학·화공

연도

2014

권(호)

5()

잡지명

The Journal of Physical Chemistry Letters

과학기술
표준분류

화학·화공

페이지

490~494

분석자

변*호

분석물

• 고상 메조다공성 페로브스카이트 태양전지의 전하수송, 재결합 그리고 확산길이.pdf [341,133 byte]

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