출처:news.northwestern.edu
오늘(11월 17일) Science 저널에 발표된 연구 결과는 햇빛이 에너지로 변환됨에 따라 효율성 손실을 극복하는 이중 분자 솔루션을 설명합니다. 전자가 결함에 의해 갇힐 때 전자가 손실되는 표면 재결합(표면에서 원자 누락)을 해결하기 위한 분자와 층 간 경계면에서 재결합을 방해하는 두 번째 분자를 먼저 통합함으로써 팀은 국가 재생 가능 에너지 목표를 달성했습니다. NREL(Energy Lab)은 이전 접근 방식이 24.09%의 효율성에 도달했지만 25.1%의 효율성을 인증했습니다.
"페로브스카이트 태양광 기술은 빠르게 발전하고 있으며 연구 개발의 중점은 벌크 흡수체에서 인터페이스로 이동하고 있습니다"라고 Northwestern 교수 Ted Sargent가 말했습니다. "이것은 효율성과 안정성을 더욱 향상시키고 더욱 효율적인 태양열 수확을 위한 유망한 경로에 더 가까이 다가갈 수 있는 중요한 포인트입니다."
Sargent는 Paula M. Trienens 지속 가능성 및 에너지 연구소(이전 ISEN)의 공동 전무 이사이자 재료 화학 및 에너지 시스템 분야의 종합 연구원이며 Weinberg College of Arts and Sciences의 화학과와 McCormick School of Engineering의 전기 및 컴퓨터 공학과.
기존의 태양전지는 생산에 에너지 집약적이며 태양 스펙트럼의 고정된 범위만 흡수할 수 있는 고순도 실리콘 웨이퍼로 만들어졌습니다.
크기와 구성을 조정하여 흡수하는 빛의 파장을 '조정'할 수 있는 페로브스카이트 소재는 잠재적으로 저렴하고 효율성이 뛰어난 최신 탠덤 기술입니다.
역사적으로 페로브스카이트 태양전지는 상대적인 불안정성으로 인해 효율성을 향상시키는 데 어려움을 겪었습니다. 지난 몇 년 동안 Sargent 연구실과 다른 연구실의 발전으로 페로브스카이트 태양전지의 효율이 실리콘으로 달성할 수 있는 것과 동일한 범위 내로 향상되었습니다.
이번 연구에서는 세포가 더 많은 햇빛을 흡수하도록 돕기보다는 생성된 전자를 유지하고 유지하여 효율을 높이는 문제에 중점을 두었습니다. 페로브스카이트 층이 전지의 전자 수송층과 접촉하면 전자가 한 층에서 다른 층으로 이동합니다. 그러나 전자는 바깥쪽으로 다시 이동하여 페로브스카이트 층에 존재하는 정공을 채우거나 "재결합"할 수 있습니다.
"인터페이스에서의 재조합은 복잡합니다"라고 Charles E.와 Emma H. Morrison 화학 Mercouri Kanatzidis 교수가 공동 감독하는 Sargent 연구실의 박사후 과정 학생인 제1저자 Cheng Liu가 말했습니다. "복잡한 재결합을 다루고 전자를 유지하기 위해 한 가지 유형의 분자를 사용하는 것은 매우 어렵습니다. 그래서 우리는 문제를 보다 포괄적으로 해결하기 위해 어떤 분자 조합을 사용할 수 있는지 고려했습니다."
Sargent 팀의 과거 연구에서는 하나의 분자인 PDAI2가 인터페이스 재조합 문제를 해결하는 데 효과적이라는 증거를 발견했습니다. 다음으로 그들은 표면 결함을 복구하고 전자가 표면 결함과 재결합하는 것을 방지하는 데 작용하는 분자를 찾아야 했습니다.
PDAI2가 2차 분자와 함께 작동할 수 있는 메커니즘을 발견함으로써 팀은 누락된 원자를 덮고 재결합을 억제하기 위해 일반적으로 전자 이동을 방지하는 데 취약한 탄소 그룹을 대체할 수 있는 황으로 범위를 좁혔습니다.
Northwestern의 Mercouri Kanatzidis 교수는 “주로 비방사성 재결합 손실로 인해 발생하는 역 페로브스카이트 태양 전지에서 발견되는 핵심 비효율성을 해결하기 위해 태양 전지 효율의 새로운 표준이 설정되고 있습니다”라고 말했습니다. "이것은 첨단 재료 화학 분야가 새로운 페로브스카이트 광전지 기술의 에너지 변환 효율과 수명을 어떻게 크게 향상시킬 수 있는지를 보여주는 대표적인 예입니다."
Kanatzidis는 Weinberg의 화학과와 McCormick의 재료 과학 및 엔지니어링 부서에 이중 임명되어 재료 화학 및 지속 가능한 에너지 솔루션 분야의 선도적인 권위자입니다.
"우리는 우리의 이중 분자 전략이 직렬 태양 전지에 유망한 것들을 포함하여 다양한 페로브스카이트 구성에 적용 가능하다는 것을 보여주게 되어 기쁘게 생각합니다"라고 화학과 조교수이자 논문 공동 저자인 Bin Chen이 말했습니다.
Nature에 발표된 같은 그룹의 최근 논문은 페로브스카이트 층 아래 기판에 대한 코팅을 개발하여 전지가 더 오랜 기간 동안 더 높은 온도에서 작동하도록 돕습니다. Liu에 따르면 이 솔루션은 Science 논문의 결과와 함께 작동할 수 있습니다.
팀은 자신들의 발견이 더 큰 과학계가 계속해서 연구를 추진하도록 장려하기를 희망하는 동시에 후속 조치에도 노력할 것입니다.
Cheng은 "복잡한 인터페이스 문제를 해결하려면 보다 유연한 전략을 사용해야 합니다"라고 말했습니다. "우리는 이전에 사람들이 그랬던 것처럼 한 종류의 분자만 사용할 수는 없습니다. 우리는 두 가지 종류의 재조합을 해결하기 위해 두 가지 분자를 사용하지만 경계면에 더 많은 종류의 결함 관련 재조합이 있다고 확신합니다. 우리는 이를 사용하려고 노력해야 합니다. 더 많은 분자가 모여서 모든 분자가 서로의 기능을 파괴하지 않고 함께 작동하도록 할 수 있습니다."
