만약 이 잼(jam)이 풀릴 수 있다면 페로브스카이트 태양전지의 효율은 더 증가될 수 있다.
페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조로 결정화된 유-무기 화합물층의 도움으로 전기를 생성한다. 이 구조에서 이온이 입방 배열을 형성한다.
페로브스카이트 층이 빛을 흡수하면 전자와 홀이 생성되고 전자와 홀을 어떻게 각각의 전극으로 잘 연결시키느냐가 많은 전기 생성의 관건이다.
셀에서 페로브스카이트 층은 다공성 TiO2 층 위에 놓인다. 다공성 TiO2는 전자를 받아서 후면 전극으로 보내는 역할을 한다.
페로브스카이트 층 위에는 유기 홀 전도층인 Spiro-OMeTAD가 놓이고 홀을 상부 전극으로 보낸다.
셀 내의 많은 층들은 전자와 홀이 효과적으로 분리될 수 있도록 해 줘야 한다. 하지만, 전하 캐리어는 한 물질에서 다른 물질로 점프할 때마다 작은 베리어를 극복해야 한다. 이 배리어는 바쁜 고속도로상에서 공사장과 같아서 자동차 흐름을 꽉 막히게 한다.
(그림 1: SFM 측정 원리. (a) CPD가 dark와 illumination 상태에서 측정된다. 또한, 셀의 각 층의 서로다른 동작 조건을 알기 위해 Au와 FTO 전극이 단락될 수 있거나 접지가 될 수 있다. SFM과 KPFM을 사용해서 물질 계면의 실제 공간 이미지(거칠기와 물질의 콘트라스트), 물질의 일함수 그리고 조명하에서 지역 전하 캐리어의 축적을 얻을 수 있다. (b) 물질 계면의 확대 이미지)
(그림 2: 소자의 전기적과 단면 특성. (a) 소자의 J-V 곡선과 소자 파라미터. (b) AFM 이미지 (c) FIB 연마된 표면의 위상차(phase contrast) 이미지 (d) 두 이미지에 기초해서 페로브스카이트 태양전지의 물질 계면을 정의할 수 있다. (e) Short-circuit 조건에서 KPFM 매핑. (f) FIB 연마된 샘플의 SEM 이미지. 페로브스카이트 캡핑 층의 두께는 0에서 200 nm 까지 변한다. 또한 페로브스카이트 물질이 다공성 TiO2 층 위에 관찰된다. (g) 소자 층 구조의 에너지 준위 다이아그램)
(그림 3: Short-circuit 조건하에서 KPFM 결과. (a) 약 200 nm 두께 페로브스카이트 캡핑 층을 갖는 소자의 topography 이미지 (b) 해당 CPD 맵 (c) short-circuit 하에서 조명 전(검은 선), 조명 중(빨간 선) 그리고 조명 직후(파란 선) 라인 프로파일. 조명을 켠 후 포텐셜 증가는 캡핑층 안에 축적된 홀에 기인한다(빨간 화살표). 조명을 끈 후 트랩된 홀이 다공성 TiO2 층 내에 보이고 트랩된 전자는 페로브스카이트 캡핍층 내에 보인다.)
(그림 4: 더 얇은 캡핑층을 위한 short-circuit 조건하에서 KPFM 측정. (a)캡핑층 두께 ~140 nm일 때 의 CPD 라인 프로파일은 캡핑층 200 nm에 비해 캡핑층 내에서 light-induced charging이 적다는 것을 보여준다. (b) 캡핑층 두께 ~70 nm일때 CPD 라인 프로파일. CPD의 최대값이 다공성 TiO2층과 페로브스카이트층 사이의 계면에 나타난다.)
(그림 5: 조명 아래에서 소자 내부의 전기장 분포의 계략적 윤곽. 전기장은 E(x) = - d(CPD)/dx 로 계산된다.)
과학자들은 일련의 실험으로 부터 빛에 노출되었을 때 페로브스카이트 층에서 강력한 홀의 축적이 일어난다는 것을 발견했다.
그들은 홀에 대한 이 현상의 원인을 TiO2 전자 전도체가 홀 전도체 보다 훨씬 더 효과적으로 작동하기 때문이라고 가정했다. 홀이 전자 만큼 빨리 전극에 도달하지 못하기 때문에 이동 중에 축적되는 것이다.
페로브스카이 층 내의 과잉 홀이 역 전기장을 만들어 캐리어 수송을 더욱 감소시킨다.
그들은 전하 수송을 관찰하기 위해 셀 중간을 쪼개서 정밀하게 초점이 맞춰진 이온빔을 이용(FIB)해서 깨진 표면이 부드러워질 때 까지 연마했다.
Kelvin probe force microscopy의 도움으로 태양전지의 각 층의 전기 포텐셜을 매핑(mapping)했다.
이 포텐셜 지도로 부터 연구자들은 전기장 분포를 유도해서 셀의 서로 다른 층을 통한 전하 수송을 알 수 있었다.
Short-circuit 조건하에서 페로브스카이트 층에 빛을 쪼였을 때 홀의 전하 수송 재밍(jamming)은 홀 전도체를 통한 전하 수송이 효율 향상에 걸림돌이라는 것을 말해준다.
만약 더 효과적인 홀 전도체가 이용된다면 페로브스카이트 태양전지의 효율을 20%가 훨씬 넘을 수 있고 상용 Si 태양전지의 훌륭한 대안이 될 것이다.
참고: http://www.mpg.de/8431287/efficiency_perovskite-solar-cell
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