더 간단하고 더 싼 태양전지 만들기

2009년에 페로브스카이트가 처음 태양전지에 이용되어 3%의 효율을 보인 이래로 지금은 15%이상을 달성했다.

Oxford University의 과학자들은 페로브스카이트의 성공은 10배 좋은 확산 거리에 덕분이라고 밝혔다.

확산 거리는 얼마나 태양전지 막이 뚜꺼울 수 있느냐를 말해준다. 만약 확산 거리가 너무 짧으면 매우 얇은 막을 사용할 수 있기 때문에 셀은 많은 양의 태양광을 흡수할 수 없다.

확산 거리가 왜 그렇게 중요한지 좀 더 알아 보자. 

태양전지 셀은 p형과 n형  반도체로 불리는 두 형태의 물질에 의해 만들어 진다. P형 물질은 주로 양의 전하를 띈 홀을 포함하고 있고 n형 물질은 주로 음의 전하를 띈 전자를 포함하고 있다. 이들 전하들이 p-n 접합에서 만나면 전하 차이가 전기장을 만든다.

광입자(포톤)가 전자와 충돌하면 여기된 전자와 홀이 생성되어 태양전지는 전기를 생산한다. p-n 접합의 전기장은 여기된 전자를 n형 물질 쪽으로 그리고 홀을 p형 물질 쪽으로 안내한다. 전자와 홀은 금속 접촉 전극에 의해 픽업되어 회로를 통해 전류로 흐른다.

확산 거리는 전하 캐리어(전자와 홀)가 결합되지 않고 이동할 수 있는  평균 거리를 말해 준다. 재결합은 여기된 전자와 홀이 만날때 발생하는데 결과적으로 저에너지의 전자를 남긴다. 

만약 확산 거리가 물질의 두께 보다 작다면 대부분의 전하 캐리어는 전극에 도달하기 전에 재결합 될 것이다. 따라서 거의 모든 전하를 수집하기 위해서는 확산 거리는 막 두께의 2배에서 3배이면 좋다.  

태양전지의 두께는 항상 타협이 필요하다 - 너무 얇으면 많은 양의 태양광을 흡수할 수 없고 너무 두꺼우면 내부의 전하 캐리어가 잘 이동하지 못한다. 긴 확산 거리는 종합적인 면에서 더 효율이 높은 태양전지에 있어서 필수적이다.  왜나면 많은 전하 캐리어의 재결합 손실 없이 태양전지를 두껍게 만들 수 있기 때문이다. 

이전에 연구자들은 확산 거리가 약 100 nm인 페로브스카이트 화합물(CH3NH3PbI3)을 사용하여 메조구조(mesostructured)의 페로브스카이트 셀을 만들어 15%의 효율을 얻었다. 메조구조는 시간 소모가 크고 복잡한 공정이 필요하기 때문에 상업화하기 힘들다. 

하지만 페로브스카이트 화합물에 Cl 이온을 첨가 함으로써,CH3NH3PbI3-xClx,1000  nm가 넘는 확산 거리와 복잡한 구조의 도움 없이 15%의 셀 효율을 달성했다. 

간단하고 평면 구조에서 15%의 효율을 달성할 수 있다는 것은 매우 큰 의미가 있다. 페로브스카이트 태양전지는 믿기 힘들 정도로 싸게 만들 수 있고 매우 높은 효율과 반투명 특성은 이미 증명되었다. 

참고: http://www.ox.ac.uk/media/science_blog/131112.html