출처: cei.washington.edu/
페로브스카이트란?
페로브스카이트는 최초로 발견된 페로브스카이트 결정인 광물성 칼슘 산화티타늄과 동일한 결정 구조를 갖는 물질이다. 일반적으로 페로브스카이트 화합물의 화학식은 ABX입니다.3, 여기서 'A'와 'B'는 양이온을 나타내고 X는 둘 다에 결합하는 음이온입니다. 많은 수의 다른 요소가 함께 결합되어 페로브스카이트 구조를 형성할 수 있습니다. 이러한 구성적 유연성을 사용하여 과학자들은 다양한 물리적, 광학적, 전기적 특성을 갖도록 페로브스카이트 결정을 설계할 수 있습니다. 페로브스카이트 결정은 오늘날 초음파 기계, 메모리 칩, 그리고 현재는 태양 전지에서 발견됩니다.
페로브스카이트 결정 구조의 개략도. (위키미디어 커먼즈)
페로브스카이트의 청정 에너지 응용
모든 광전지 태양 전지는 빛의 에너지를 전기로 전환하기 위해 유리와 같은 전기 절연체와 구리와 같은 금속 도체 사이의 중간 지점에 있는 반도체에 의존합니다. 태양으로부터 오는 빛은 반도체 물질의 전자를 여기시켜 전도성 전극으로 흘러 전류를 생성합니다.
실리콘은 반도체 특성이 태양 광선의 스펙트럼과 잘 일치하고 상대적으로 풍부하고 안정적이기 때문에 1950년대부터 태양 전지에 사용되는 주요 반도체 재료였습니다. 그러나 기존 태양광 패널에 사용되는 대형 실리콘 결정은 많은 에너지를 사용하는 값비싼 다단계 제조 공정이 필요합니다. 대안을 찾기 위해 과학자들은 페로브스카이트의 조정 가능성을 활용하여 실리콘과 유사한 특성을 가진 반도체를 만들었습니다. 페로브스카이트 태양 전지는 적은 비용과 에너지로 인쇄와 같은 간단한 적층 증착 기술을 사용하여 제조할 수 있습니다. 페로브스카이트의 구성적 유연성으로 인해 태양 스펙트럼과 이상적으로 일치하도록 조정할 수도 있습니다.
2012년 연구원들은 할로겐화납 페로브스카이트를 광 흡수층으로 사용하여 광자에서 전자로의 변환 효율이 10% 이상인 안정적인 박막 페로브스카이트 태양 전지를 만드는 방법을 처음 발견했습니다. 그 이후로 페로브스카이트 태양 전지의 태양광에서 전력으로의 변환 효율은 25.2%로 실험실 기록으로 급등했습니다. 연구원들은 또한 페로브스카이트 태양 전지를 기존 실리콘 태양 전지와 결합하고 있습니다. 이러한 "실리콘 상의 페로브스카이트" 탠덤 전지의 기록 효율은 현재 29.1%(기존 실리콘 전지의 기록 27% 초과)이며 빠르게 증가하고 있습니다. 이러한 전지 효율의 급속한 급증으로 페로브스카이트 태양 전지 및 페로브스카이트 탠덤 태양 전지는 곧 기존의 실리콘 태양 전지에 대한 저렴하고 효율적인 대안이 될 수 있습니다.
페로브스카이트 태양전지의 단면. (클린에너지연구소)
현재 연구 목표는 무엇입니까?
실리콘 탠덤의 페로브스카이트를 포함한 페로브스카이트 태양 전지가 전 세계적으로 수십 개의 회사에서 상용화되고 있지만 성능, 신뢰성 및 제조 가능성을 개선할 수 있는 해결해야 할 기본적인 과학 및 엔지니어링 문제가 여전히 있습니다.
일부 페로브스카이트 연구원은 페로브스카이트의 결함을 특성화하여 변환 효율을 계속 향상시키고 있습니다. 페로브스카이트 반도체는 내결함성이 뛰어나지만 결함은 여전히 성능에 부정적인 영향을 미칩니다. 특히 활성층 표면에서 발생하는 결함은 더욱 그렇습니다. 다른 연구자들은 특정 응용 분야(예: 직렬 셀 스택)에 대한 전자적 특성을 조정하거나 안정성과 수명을 더욱 개선하기 위해 새로운 페로브스카이트 화학 조성을 탐색하고 있습니다.
연구원들은 또한 환경으로부터 페로브스카이트를 보호하기 위한 새로운 셀 설계, 새로운 캡슐화 전략을 연구하고 있으며, 기본 분해 경로를 이해하여 페로브스카이트 태양 전지가 옥상에서 어떻게 지속되는지 예측하기 위해 가속 노화 연구를 사용할 수 있습니다. 다른 기업들은 페로브스카이트 "잉크"를 기존의 대규모 솔루션 인쇄 방법에 적용하는 방법을 포함하여 다양한 제조 공정을 빠르게 탐색하고 있습니다. 마지막으로, 오늘날 가장 성능이 좋은 페로브스카이트가 소량의 납으로 만들어지지만 연구자들은 납 독성과 관련된 우려를 완화하기 위해 대체 구성과 새로운 캡슐화 전략도 모색하고 있습니다.
CEI는 페로브스카이트를 어떻게 발전시키고 있습니까?
페로브스카이트 결정은 종종 태양 변환 효율을 감소시킬 수 있는 원자 규모의 결함을 나타냅니다. CEI 수석 과학자이자 화학 교수인 David Gingerhas는 페로브스카이트를 다양한 화합물로 처리하여 이러한 결함을 치료하는 "패시베이션" 기술을 개발했습니다. 그러나 페로브스카이트 결정이 태양 전지로 조립될 때 전류 수집 전극이 추가 결함을 생성할 수 있습니다. 2019년 Georgia Tech의 Ginger와 공동 작업자는 미국 에너지부의 태양 에너지 기술 사무소(SETO)로부터 새로운 패시베이션 전략과 새로운 전하 수집 재료를 개발하기 위한 자금을 지원받아 페로브스카이트 태양 전지가 호환성을 유지하면서 최대 효율 잠재력에 도달할 수 있도록 합니다. 저가 제조로.
화학 교수 다니엘 가멜리난드(Daniel Gamelinand) 그의 그룹은 페로브스카이트 코팅으로 실리콘 태양 전지를 수정하여 기존 실리콘 전지의 이론적 한계인 33% 전환율을 우회하여 청색광의 고에너지 광자를 보다 효율적으로 수집하는 것을 목표로 합니다. Gamelin과 그의 팀은 인간 머리카락보다 수천 배 작은 작은 입자인 페로브스카이트 양자점을 개발했습니다. 이 양자점은 고에너지 광자를 흡수하고 2배 많은 저에너지 광자를 방출할 수 있는 "양자 절단" 프로세스입니다. 태양 전지에 흡수된 각 광자는 하나의 전자를 생성하므로 페로브스카이트 양자점 코팅은 변환 효율을 크게 높일 수 있습니다.
Gamelin과 그의 팀은 기술을 상용화하기 위해 BlueDot Photonics라는 분사 회사를 설립했습니다. SETO의 자금 지원을 받아 Gamelin과 BlueDot은 대면적 태양 전지를 위한 페로브스카이트 재료의 박막을 만들고 기존 실리콘 태양 전지를 향상시키기 위한 증착 기술을 개발하고 있습니다.
화학 공학 교수인 Hugh Hillhouseis는 기계 학습 알고리즘을 사용하여 페로브스카이트 연구를 지원합니다. 고속 비디오로 캡처한 광발광을 사용하여 Hillhouse와 그의 그룹은 장기적인 안정성을 위해 다양한 하이브리드 페로브스카이트를 테스트하고 있습니다. 이러한 실험은 엄청난 데이터 세트를 생성하지만 기계 학습을 사용하여 페로브스카이트 태양 전지의 열화 예측 모델을 생성하는 것을 목표로 합니다. 이 모델은 상용화의 주요 장벽인 장기적 안정성을 위해 페로브스카이트 태양 전지의 화학적 구성과 구조를 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
CEI가 운영하는 개방형 실험실 시설인 워싱턴 청정 에너지 테스트베드(Washington Clean Energy Testbeds)에서 연구원과 기업가는 최첨단 장비를 활용하여 페로브스카이트 태양 전지와 같은 기술을 개발, 테스트 및 확장할 수 있습니다. Testbeds에서 롤투롤 프린터를 사용하여 페로브스카이트 잉크를 낮은 온도에서 유연한 기판에 인쇄할 수 있습니다. 테스트베드 기술 이사J. 재료 과학 교수인 Devin MacKenzie& UW의 엔지니어링 및 기계 공학은 처리량이 높고 탄소 발자국이 적은 제조를 위한 재료 및 기술 전문가입니다. SETO가 지원하는 그의 그룹에서 가장 활발한 프로젝트 중 하나는 롤투롤 인쇄 중에 빠르게 증착되는 페로브스카이트 결정의 성장을 측정할 수 있는 현장 기기를 개발하는 것입니다. 공동 개발 센터의 지원과 MacKenzie의 그룹인 Earth Abundant Materials(JCDREAM) 연구는 또한 태양광이 전지에 들어오는 것을 차단하지 않고 페로브스카이트 태양 전지에서 전류를 끌어낼 수 있는 새로운 전극을 개발하기 위해 세계 최고 해상도의 프린터를 사용하고 있습니다.
Washington Clean Energy Testbeds 기술 이사 J. Devin MacKenzie가 유연한 전자 제품을 위한 Testbeds의 다단계 롤투롤 프린터를 시연하고 있습니다. (클린에너지연구소)