납이 없는 페로브스카이트 태양전지

(Sn 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지)

                     (다공성 TiO2 위에 코팅된 스핀 코팅된 페로브스카이트 막의 SEM 이미지)

Oxford 대학의 연구원들은 Pb 대신 Sn을 이용해서 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

Pb 기반 페로브스카이트 태양전지의 효율은 이미 약 20%에 도달하고 있다. 그리고 싼 원재료로 제조되며 외부 분위기에 안정적이고 대면적화하기 쉽다.

하지만 적은 양이라도 독성이 있는 납을 포함한 페로브스카이트 태양전지는 상용화에 걸림돌이 될 수 있다.

Sn은 독성이 없고 싸고 매장량이 많고 밴드갭(1.3 eV)이 낮고 이미 페로브스카이트에 쓰인 적이 있다. 하지만 Sn 페로브스카이트가 태양전지에 쓰인 적은 없다. 

불행히도 Sn 페로브스카이트(CH3NH3SnI3)는 전자 확산 거리가 짧다. 이를 해결하기 위해 전자 선택적 수송의 역할을 하는 다공성 TiO2 층 위에 이 결정을 성장시켰다.

광흡수에 의해 엑시톤이 생성되면 전자는 친밀하게 어우러져 있는 TiO2로 주입되고 반면 더 활발한 홀은 홀 수송층(spiro-OMeTAD 유기 화합물) 근처로 끝까지 확산될 수 있다. 

이 구조는 효율 6.4%을 보였다. 

Sn 페로브스카이트 태양전지의 효율이 상대적으로 낮은 이유는 페로브스카이트구조는 Sn이 2+의 산화상태에 있을 때 최적이지만 Sn은 4+의 산화상태에 있을려고 하기 때문이다. 2+에서 4+로의 전이는 수분에 의해 촉진되는데 Sn 페로브스카이트 태양전지를 대기에 도출 시켰을 때 동작 불능을 일찍 야기시킨다.  

전하 균형을 유기하기 위해서 2+가 필요한데 4+로 전이가 일어나면 과잉 양전하가 발생하고 p 도핑된 페로브스카이트가 된다. 이 자기 도핑(self-doping)은 좋지 않은 것이고 확산거리를 떨어뜨린다. 

Sn 페로브스카이트의 산화가 제어할 수 있다면 홀의 배경 농도는 감소할 것이고 확산 거리는 Pb 페로브스카이트의 확산거리는 증가할 것이고(~30 nm → ~1 um) 성능 또한 증가할 것이다. 

참고: http://www.electronicsweekly.com/news/research/oxford-removes-pb-perovskite-solar-cells-2-2014-05/