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양친매성 개질로 친환경 안정성이 향상된 고성능 페로브스카이트 태양전지

전문가 제언: ○ 최근 용액가공이 가능하고 저렴한 페로브스카이트 재료 기반의 태양전지(PSC)가 20 %의 전력변환효율(PCE)을 보여 차세대 태양전지로 기대가 높다. 이 재료는 CH3NH3(=MA)PbI3(I는 Br, Cl도 가능)의 3 유형의 이온으로 구성되는 하이브리드 유기금속 할라이드 결정성 화합물이다.

○ 이는 가시광으로부터 근적외선까지의 광 흡수 계수가 염료감응 태양전지 염료의 10배로 높고, 전하 캐리어 이동도가 비범하며, 캐리어 확산길이가 1 ㎛을 넘어 캐리어 수명이 길다. 또 두 전하 쌍의 결합에너지가 매우 낮아 쉽게 여기자가 분리되는 것이 고효율의 동력이 되고 있다.

○ 페로브스카이트 태양전지의 구조는 n-i-p형이다. 광이 입사하는 맨 하부 광양극인 투명 전도성 전극 인듐산화티타늄(ITO) 코팅 유리 층과 맨 상부 음극(Au) 사이 중앙에 i형 페로브스카이트 활성체가 있다. 광활성체가 흡수한 전자와 정공을 각개 전극으로 수송하는 정공수송층(HTM, p형 접촉)과 전자수송층(ETM, n형 접촉)이 각각 활성층 상하부에 있다. 페로브스카이트를 흡착/지지하는 메조다공성 TiO2가 n형 접촉이다.

○ 페로브스카이트는 성분 조합에 의해 특성을 응용에 맞춤 조정할 수 있다. 고효율 PSC의 상용화에는 대기(습기, 온도, 산소)에서의 안정성, 납 오염, 셀의 대형화 그리고 셀 품질의 균일성이 과제이다. 결정성 페로브스카이트가 기판에 증착 시 핀홀 발생이 상하극 사이에 전기분로를 만들어 성능을 제한하는 숙제가 있다. 이 글은 MAI와 PbI2로 되는 전구체 용액에 친수성과 소수성을 함께 가진 트리플루오로 에틸암모늄 요오다이드(FEAI)의 3 몰%(PbI2 대비)첨가로 PCE를 15.6에서 18 %로 향상하고 4개월 대기 저장 후에도 PCE가 초기치의 92 %를 유지한 연구를 소개한다.

○ 현재 PSC에서 PCE 기록과 특허 최다 보유의 한국화학연구원(노준홍, 임상혁 등)이 2013년 캡슐없는 MAPbI3에서 I의 20 %를 Br로 치환하여 대기에서 20일간 안정된 보고를 하였다. 당시 PCE는 약 9 %이었다. 핀홀 문제는 LED용 페로브스카이트에서도 현안인데, 폴리이미드 전구체와 페로브스카이트와의 복합체가 페로브스카이트의 덮힘율 개선으로 외부양자효율을 100배 향상한 기술이 PSC에도 시험되기를 기대한다.

저자: D. Bi, et al.
자료유형: 니즈학술정보