페로브스카이트-Si 탠덤 태양전지의 효율 갱신(효율 18%)

Helmholtz-Zentrum Berlin(독일)과 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(스위스) 팀은 효율 18%의 페로브스카이트-Si 탠덤 셀을 만들었다.  

페로스카이트 층은 청색광을 효율적으로 흡수한다. 반면, Si 층은 적색광과 NIR 광을 효과적으로 흡수한다. 하지만 이 두 층을 한 덩어리로 만들기는 쉽지 않다.  

일반적으로 높은 효율의 페로브스카이트 셀을 위해 500도로 소결된 TiO2 층 위에 페로브스카이트를 코팅할 필요가 있다. 하지만 그런 고온은 Si 이종접합 태양전지에서 Si 웨이퍼에 코팅된 a-Si 층을 열화시킨다.

(Si 이종접합 태양전지가 bottom 셀을 위한 기반을 제공한다. 매우 얇은 투명 SnO2가 이 bottom 셀 위에 증착된다. 그 뒤 500 nm 두께의 페로브스카이트 물질과 200 nm 두께의 spiro-OMeTAD 홀 전도체 물질이 코팅된다. 박막 MoO3가 홀 전도체와 투명 상부 전극 ITO 사이에서 보호층으로서 역할을 한다.)  

  

그들은 처음으로 선택적 전자 접촉을 TiO2 대신 저온 SnO2을 증착(atomic layer deposition)해서 위 문제를 해결했다. 

이 탠덤 셀에서 중요한 층은 선택적 홀 접촉을 위한 투명한 top 접촉 층이다. 보통 금속 산화물이 스퍼터링 증착된다. 이때 페로브스카이트과 홀 전도체 물질을 손상시킨다.  

그들은 제조 공정을 수정하고 투명한 보호층으로서 MoO3를 삽입해서 위 문제를 해결했다.

이 탬덤 셀의 효율은 18%이다. 개별 셀 효율에 비해 20% 더 높다. 지금 까지 보고된 탬덤 셀 중에서 가장 높으며 Voc가 1.78 V이기 때문에 물 전기 분해을 통해 수소 생산에 이용될 수 있다. 

이번의 탬덤 셀은 연마된 Si 표면 위에 페로브스카이트를 코팅했다. 이는 반사 손실로 나타나 bottom 셀에서 만들어지는 광전류 손실을 야기한다. 만약 Si 표면이 텍스처링 된다면 효율은 25% 또는 심지어 30%으로 향상될 것이다. 

사실 효율 최대화 보다 더 중요한 것은 어떻게 이 기술이 기존 기술과 통합될 것인가 이다. Si 태양전지 기술은 태양전지 시장의 90%을 차지한다. 이는 잘 확립된 생산 시설이 많다는 것을 의미한다. 하지만 페로브스카이트 층을 추가하기 위한 생산 시설은 따로 개발 될 필요가 있다. 

Top 셀인 페로브스카이트 셀의 장기 안정성과 납 제거는 앞으로 해결해야 할 과제이다. 

참고: http://cleantechnica.com/2015/11/12/tandem-perovskite-silicon-solar-cell-efficiency-record-broken/