2015년 11월 14일 토요일

페로브스카이트 태양전지의 안정성이 금속 산화물 샌드위치로 향상되다

페로브스카이트 물질이 공기(산소) 중에 노출되면 몇 일 몇 시간 내에 파괴된다. 또한 습기(물)에 노출되면 더 빨리 열화가 일어난다. 이는 페로브스카이트의 흡습성 때문이다. 

몇몇 층이 인자가 일반적 페로브스카이트 스택을 빠르게 열화시킨다. 가장 중요한 것은 범용인 상부 유기 버퍼 층이다. 이 버퍼 층은 안정성이 나쁘고 공기 내의 습기로 부터 페로브스카이트를 효과적으로 보호할 수 없다. 


(a, NiOx 표면 위에 2단계 용액 공정으로 성장된 페로브스카이트의 SEM 이미지. b, ZnO 막으로 코팅된 페로브스카이트의 SEM 이미지. c, 유리/ITO/80 nm NiOx/320 nm 페로브스카이트/70 nm ZnO 구조의 셀의 단면 이미지)

Yang 팀은 이 유기 버퍼 층을 p형 NiOx 나노입자 층으로 대체했다. 

그들의 셀 구조는 p-i-n(유리/ITO/p-NiOx/i-페로브스카이트/n-ZnO/Al)이다. 여기서 ZnO 층은 페로브스카이트층과 Al 층을 분리시켜 열화를 억제한다.

새로운 구조의 셀 초기 효율은 14.5 +- 1.5%이고 최고 효율(인증 안 받음)은 16.1%이다. 

새로운 구조의 셀을 실온과 공기 중에 60일 방치했을 때 초기 셀 효율의 90%가 유지됐다. 반면, 유기 버퍼 층으로 만들어진 셀은 단지 5일 만에 완전히 열화가 일어난다. 


그들의 다음 단계는 금속 산화물 층을 더 응축시켜 더 잘 밀봉하는 것이다.


참고: http://newsroom.ucla.edu/releases/next-generation-perovskite-solar-cells-made-stable-by-metal-oxide-sandwich

페로브스카이트-Si 탠덤 태양전지의 효율 갱신(효율 18%)

Helmholtz-Zentrum Berlin(독일)과 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne(스위스) 팀은 효율 18%의 페로브스카이트-Si 탠덤 셀을 만들었다.  

페로스카이트 층은 청색광을 효율적으로 흡수한다. 반면, Si 층은 적색광과 NIR 광을 효과적으로 흡수한다. 하지만 이 두 층을 한 덩어리로 만들기는 쉽지 않다.  

일반적으로 높은 효율의 페로브스카이트 셀을 위해 500도로 소결된 TiO2 층 위에 페로브스카이트를 코팅할 필요가 있다. 하지만 그런 고온은 Si 이종접합 태양전지에서 Si 웨이퍼에 코팅된 a-Si 층을 열화시킨다.




(Si 이종접합 태양전지가 bottom 셀을 위한 기반을 제공한다. 매우 얇은 투명 SnO2가 이 bottom 셀 위에 증착된다. 그 뒤 500 nm 두께의 페로브스카이트 물질과 200 nm 두께의 spiro-OMeTAD 홀 전도체 물질이 코팅된다. 박막 MoO3가 홀 전도체와 투명 상부 전극 ITO 사이에서 보호층으로서 역할을 한다.)  
  

그들은 처음으로 선택적 전자 접촉을 TiO2 대신 저온 SnO2을 증착(atomic layer deposition)해서 위 문제를 해결했다. 

이 탠덤 셀에서 중요한 층은 선택적 홀 접촉을 위한 투명한 top 접촉 층이다. 보통 금속 산화물이 스퍼터링 증착된다. 이때 페로브스카이트과 홀 전도체 물질을 손상시킨다.  

그들은 제조 공정을 수정하고 투명한 보호층으로서 MoO3를 삽입해서 위 문제를 해결했다.



이 탬덤 셀의 효율은 18%이다. 개별 셀 효율에 비해 20% 더 높다. 지금 까지 보고된 탬덤 셀 중에서 가장 높으며 Voc가 1.78 V이기 때문에 물 전기 분해을 통해 수소 생산에 이용될 수 있다. 

이번의 탬덤 셀은 연마된 Si 표면 위에 페로브스카이트를 코팅했다. 이는 반사 손실로 나타나 bottom 셀에서 만들어지는 광전류 손실을 야기한다. 만약 Si 표면이 텍스처링 된다면 효율은 25% 또는 심지어 30%으로 향상될 것이다. 

사실 효율 최대화 보다 더 중요한 것은 어떻게 이 기술이 기존 기술과 통합될 것인가 이다. Si 태양전지 기술은 태양전지 시장의 90%을 차지한다. 이는 잘 확립된 생산 시설이 많다는 것을 의미한다. 하지만 페로브스카이트 층을 추가하기 위한 생산 시설은 따로 개발 될 필요가 있다. 


Top 셀인 페로브스카이트 셀의 장기 안정성과 납 제거는 앞으로 해결해야 할 과제이다. 

참고: http://cleantechnica.com/2015/11/12/tandem-perovskite-silicon-solar-cell-efficiency-record-broken/