페로브스카이트 태양전지

[CH3NH3PbI3 페로브스카이트 구조]

ABX3 페로브스카이트 타입 구조이며 코너를 공유하는 PbI6 8면체의 확장된 뼈대로 구성되어 있다. CH3NH3+ 양이온이 중앙 위치에 있고 12개의 가장 가까운 이웃인 Iodide 이온으로 둘러싸여 있다. 양이온은 일반적으로 격자 내에서 전하 보상으로 여겨지고 밴드 구조에 영향을 주지 않지만 양이온의 크기 변화는 광학 특성에 강하게 영향을 미친다. 


[동작 원리]

페로브스카이트의 광여기(1), TiO2로 전자 이동(2), HTM으로 홀 이동(3)(또는 HTM에서 페로브스카이트로 전자 이동), 광생성 종의 재결합(4), TiO2/페로브스카이트 계면, HTM/페로브스카이트 계면, 그리고 TiO2/HTM 계면에서의 back charge transfer(5,6,7). 고성능을 위해서는 4~5 과정은 전하 생성과 추출 과정인 1~3 과정보다 느리게 일어나야 한다.  

[특징]

 - DSSCs로 부터 진화됐고 DSSCs의 염료가 페로브스카이트로 대체된 것이다.  
 - 넓은 스펙트럼에서 광을 효과적으로 흡수하고 또한 전하 캐리어 이동도와 수명이 크고 캐리어 확산 거리가 길다 
  (OPV와 다르게 전자와 홀은 자유롭게 움직일 수 있어서 페로브스카이트 층은 전자와 홀 모두 재결합없이 이동시킬 수 있다) 
 - 페로브스카이트 물질은 조작이 가능해서 다양한 광학적 전기적 특성을 갖게 할 수 있다.  
   (할로겐화물로 Br을 쓰면 단파장 흡수에 유용하고 I을 쓰면 장파장 흡수에 유용하다)
 - 제조하는데 비싸지 않다.
 - 수분에 취약하고 핵심 원소인 Pb가 유해하다.  



[기술 변천]

 

- 2009: Kojima et al., CH3NH3PbX3(X=Cl, Br0, 3.8%
- 2011: Im et al., 6.54%
- 2012: Kim et al., spiro-OMeTAD을 사용해서 all solid-state mesoscopic heterojunction PSCs  제조, 9.7%
- 2012: Lee et al., mesoporous TiO2를 Al2O3로 대체해서 'meso-superstructured' PSC 제조, 10.9%
- 2013: Burschka et al., 순차적 two-step dipping 방법으로 PSCs 제조, 14.14%(인증)
- 2013: Saliba 그룹과 Shin 그룹이 독립적으로 조성 튜닝과 '안티 솔벤트 one-step 증착 방법'을 통해 PSV 제조, 21%
그동안 Cs+와 Rb+ 양이온을 집어 넣거나, 2D 페로브스카이트 막 또는 TiO2 대신 La-BaSnO3을 적용해서 안정성을 향상시킴


[이슈]


1. 안정성

   - 페로브스카이트 물질의 열과 수분 취약하고 조성 열화와 결정상이 변함
 (구조가 캐지기 쉬운 것은 소금과 같은 결정 구조를 갖고 있기 때문)
   - 다양한 소자 아키텍처 개발
   - 수분 침투 방지 첨가제

   - HTM 물질 개선 및 대체 

    

2. 효율



   1) 소자 아키텍처

      - Mesocopic 구조
       

     
    반도체 산화물 발판을 사용하고 페로브스카이트 물질이 발판에 침투되어 있다.


      - Planar 구조

      
     다공성 발판이 없으며 n-i-p와 p-i-n 구조로 분류될 수 있다. 
      
      - HTL free 구조
        : 특별히 아주 좋은 안정성을 보임
      - 페로브스카이트/Si 태양전지 탠덤 구조 개발
        :최적 광포획을 위한 페로브스카이트 밴드갭 튜닝 
     


    2) 페로브스카이트 막 제조 공정 기술

      - 페로브스카이트 막 결정성과 모폴로지 제어가 중요
       :Mesoporous 표면 위와 평탄한 표면 위에 결정화된 페로브스카이트의 grain 크기 각각 ~10 nm와 ~100 nm이다.
      - Pinhole-free
       a) one-step 전구체 용액 성막 
     


     3) 새로운 재료
 


3. 환경

  - Pb 대체



[응용]

 스마트 창(솔라 창),  BIPV, 야외 가구, 탠덤 태양전지, 전력 공급 시설, 휴대용 기기, off-grid 응용, 자동차


[관련 회사]

1) Oxford Photovoltaics
    - 페로브스카이트/Si 태양전지 탠덤 셀 개발 전략으로 10cm2 셀 크기에서 효율 21.3% 달성(개별 효율은 페로브스카이트 15%, Si 태양전지 17%)

2) Imec
    - 페로브스카이트 모듈(aperture area 16 cm2) 효율 11.9% 달성 (2015.7.15)
      : 유기 태양전지 기술을 활용했고 실험실 규모의 스핀 코팅 공정으로 만들어 졌다. 
      

3) Dyesol