단결정 페로브스카이트 태양전지 개발(효율 8.78%)

최근, 페로브스카이트 태양전지 효율이 22.1%까지 발표되었으나 이론적 한계 효율인 31%까지는 미치지 못했다. 따라서 연구자들은 페로브스카이트 태양전지 성능 개선을 위해 새로운 전략을 고민하고 있다. 

기존의 페로브스카이트 태양전지는 다결정 CH3HN3PbI3 막에 기반하고 있다. 그래서 grain 내부와 경계에 수 많은 결함을 피할 수 없다. 

연구자들은 광 생성된 캐리어가 긴 확산 거리와 긴 수명과 같은 특별한 광전지 특성을 갖는 CH3NH3PbI3 단결정을 만들려고 노력해왔다.

하지만, 단결정 페로브스카이트은 이례적인 광-캐리어 특성에도 불구하고 소자 구조에 적용될 경우 전자 수집층 TiO2와의 계면 특성 문제로 효율 이득은 없었다.       

( (a) 온도 구배와 모세관 효과에 의한 자기 성장 도식도; (b) FTO/TiO2 위의 CH3NH3PbI3 단면 SEM 이미지; (c) 단결정 CH3NH3PbI3의 고해상도 TEM 이미지)

지금, 중국과 미국 과학들이 전자를 수집하는 FTO/TiO2 기판 위에 직접적으로 단결정 CH3NH3PbI3 막을 성공적으로 성장시켰다(TiO2 층은 밀집된 TiO2 층위에 다공성 TiO2 층이 코팅되어 있다). FTO/TiO2 기판을 온도 120C로 맞춰진 CH3NH3PbI3 전구체 용액에 수직으로 담궜다. 대략 50~200um의 테프론 스페이서가 있는 또 다른 FTO/TiO2 기판을 전구체 용액에 평행하게 담궈 두 기판사이의 갭을 제어했다. 단결정 성장은 온도 구배와 모세관 효과로 이루어졌다. 

정말로 단결정 CH3NH3PbI3 막은 우수한 광전지 특성을 보여 줬다. 그림 2(a)에 보듯이 FTO 유리 기판위에 직접적으로 성장시킨 단결정 CH3NH3PbI3 막은 다결정 막에 비해 더 긴 수명을 갖는다는 것을 알 수 있다. TiO2 전자 수집층을 FTO에 추가 하면 TiO2/페로브스카이트 계면에서 효과적인 전하 추출에 의해 전하 캐리어 수명은 급격히 떨어진다.

결과로서, 단결정 페로브스카이트 태양전지의 효율은 8.78%을 나타냈다. 연구자들은 물질과 소자 최적화를 통해 효율 향상의 여지는 충분하다고 말한다. 

참고: https://phys.org/news/2017-08-single-crystal-perovskite-solar-cells.html