결정 제어가 페로브스카이트 물질을 실용적으로 만들다

페로브스카이트 결정 성장을 제어하는 새로운 방법이 고성능과 저가의 상용 태양전지를 이끌다. 

실험실에서 만들어지는 개별 페로브스카이트 셀은 아주 좋은 성능을 내지만 현재까지 아직 어떻게 균일한 배치(batch)로 만들 수 있는지 모른다. 따라서 고성능 페로브스카이트 태양전지를 지속적으로 만들기 힘들었다.

그 원인을 셀 간 페로브스카이트 결정의 크기 변화에서 찾을 수 있다. 전자에게는 결정의 경계는 벽과 같아서 결정이 클 수록 전기 흐름에 적은 장애물을 준다. 

태양전지용 페로브스카이트 물질을 구성하는 성분은 탄화수소, 암모니아, 납, 그리고 요오드이다. 페로브스카이트 결정은 2단계 공정으로 만들어지며 PbI2 용액을 표면에 코팅한 후 건조하는 것 부터 시작한다. 그런 후 CH3NH3I 용액을 코팅한다. 건조 과정을 통해 2층 내의 화합물이 함께 모여 페로브스카이트 결정을 형성한다. 

(그림 1: 1M PbI2 용액이 다공성 TiO2 막 위에 스핀-코팅된다.  PbI2 막은 40 °C, 3 분가 건조된 후 100 °C, 5분 열처리한다. CH3NH3I 용액이20초간 로딩되고 스핀-코팅한다. 마지막으로, 100 °C, 5분 열처리한다. 2-propanol 속의 CH3NH3I 용액의 농도는 0.038 M (6mg/ml), 0.044 M (7 mg/ml), 0.050 M (8 mg/ml), 0.057 M (9 mg/ml) 또는 0.063 M(10 mg/ml)이다.   

스위스와 한국의 연구자들은 CH3NH3I 용액의 농도을 세심하게 제어하고 2단계 스핀-코팅 공정으로 제어된 크기의 CH3NH3PbI3 입방을 성장시킬 수 있었다. 

광 수확 효율과 전하 캐리어 추출은 입방의 크기에 크게 영향을 받았는데 simulated one-sun illumination하에서 CH3NH3I의 농도가 0.038 M, 0.050 M 그리고 0.063 M 일때 평균 효율 16.4%(s.d ± 0.35), 16.3%(s.d ± 0.44) 그리고 13.5%(s.d ± 0.34)을 각각 얻었다. 

참고: http://www.technologyreview.com/news/530456/controlled-crystals-make-a-new-solar-material-practical/