차세대 태양 광 기술의 안정성 및 효율성 향상

출처 : oist.jp

오키나와 과학 기술 대학원 (OIST)의 연구원들은 효율성과 안정성이 우수한 차세대 태양 광 모듈을 개발했습니다. 페 로브 스카이 트 (perovskites)라는 재료를 사용하여 제작 된이 태양 광 모듈은 2000 시간 이상 고성능을 유지할 수 있습니다. 2020 년 7 월 20 일, 네이처 에너지 (Nature Energy) 저널에 발표 된 그들의 연구 결과는 상업화의 전망을 밝게했다.

페 로브 스카이 트는 태양 광 기술 산업에 혁명을 일으킬 잠재력이 있습니다. 유연하고 가벼운이 제품은 현재 시장을 지배하고있는 무겁고 단단한 실리콘 기반 셀보다 더 다양한 기능을 약속합니다. 그러나 페 로브 스카이 트를 상품화하기 전에 과학자들은 몇 가지 주요 장애물을 극복해야합니다.

OIST 책임자 Yabing Qi 교수는“페 로브 스카이 트가 충족해야하는 3 가지 조건이있다.에너지 재료 및 표면 과학 단위이 연구를 주도했습니다.

페 로브 스카이 트 태양 전지 시연

저렴한 원자재는 처리하는 데 에너지가 거의 필요하지 않으므로 페 로브 스카이 트 태양 전지를 만드는 비용은 저렴합니다. 그리고 불과 10 년이 지난 지금 과학자들은 페 로브 스카이 트 태양 전지가 태양계를 전기로 변환하는 효율을 개선하는 데 큰 진전을 이뤘으며, 효율성은 현재 실리콘 기반 전지와 비교할 수 있습니다.

그러나 일단 작은 태양 전지에서 더 큰 태양 모듈로 확장되면 페 로브 스카이 트의 효율 수준은 급락합니다. 상용 태양 광 기술은 몇 피트 길이의 태양 전지판 크기에서 효율성을 유지해야하므로 문제가됩니다.

“스케일링은 매우 까다로운 작업입니다. 재료의 결함은 더욱 뚜렷 해져 고품질 재료와 더 나은 제조 기술이 필요합니다.”라고이 연구의 공동 저자 인 Luis Ono는 설명했습니다.

페 로브 스카이 트의 불안정성은 강렬한 조사에서 또 하나의 중요한 문제입니다. 상용 태양 전지는 수년간의 작동을 견딜 수 있어야하지만 현재 페 로브 스카이 트 태양 전지는 빠르게 분해됩니다.

레이어 구축

OIST 기술 개발 및 혁신 센터의 Proof-of-Concept 프로그램의 지원을받는 Qi 교수 팀은 새로운 접근 방식을 사용하여 이러한 안정성 및 효율성 문제를 해결했습니다. 페 로브 스카이 트 태양 광 장치는 각각 특정 기능을 가진 여러 층으로 구성되어 있습니다. 한 레이어에만 집중하는 대신 장치의 전반적인 성능과 레이어가 어떻게 상호 작용하는지 살펴 보았습니다.

햇빛을 흡수하는 활성 페 로브 스카이 트 층은 장치의 중앙에 있으며 다른 층 사이에 끼워져 있습니다. 광자 광이 페 로브 스카이 트 층에 부딪 칠 때, 음으로 하전 된 전자는이 에너지를 이용하여 더 높은 에너지 레벨로 "점프"하여 전자가 있던 곳에서 양으로 하전 된 "홀"을 남긴다. 이어서, 이들 전하는 반대 방향으로 활성층 위 및 아래의 전자 및 정공 수송층으로 전환된다. 이는 전극을 통해 태양 광 장치를 떠날 수있는 충전 또는 전기 흐름을 생성합니다. 이 장치는 또한 보호 층으로 캡슐화되어 열화를 줄이고 독성 화학 물질이 환경으로 누출되는 것을 방지합니다.

이 연구에서 과학자들은 22.4cm2의 태양 광 모듈로 작업했습니다.

과학자들은 먼저 두 층 사이에 EDTAK라는 화학 물질을 첨가하여 페 로브 스카이 트 활성층과 전자 수송층 사이의 계면을 개선했습니다. 그들은 EDTAK가 산화 주석 전자 수송층이 페 로브 스카이 트 활성층과 반응하는 것을 방지하여 태양 모듈의 안정성을 증가 시킨다는 것을 발견했다.

EDTAK는 또한 페 로브 스카이 트 태양 광 모듈의 효율을 두 가지 다른 방식으로 개선했습니다. 먼저, EDTAK의 칼륨은 활성 페 로브 스카이 트 층으로 이동하여 페 로브 스카이 트 표면의 작은 결함을 "치유"했습니다. 이는 이러한 결함이 움직이는 전자 및 정공을 포획하는 것을 방지하여 더 많은 전기가 생성되도록한다. EDTAK는 또한 산화 주석 전자 수송층의 전도성 특성을 향상시켜 성능을 향상 시켰으며, 페 로브 스카이 트층으로부터 전자를 수집하기가 더 쉬워졌다.

과학자들은 페 로브 스카이 트 활성층과 정공 수송층 사이의 계면을 유사하게 개선했다. 이번에는 층 사이에 EAMA라고하는 페 로브 스카이 트 유형을 추가하여 정공 수송층이 정공을 수용하는 능력을 향상 시켰습니다.

EAMA 처리 장치는 또한 습도 및 온도 테스트에서 더 나은 안정성을 보여주었습니다. 이는 EAMA가 결정 입자의 모자이크 인 페 로브 스카이 트 활성층의 표면과 상호 작용하는 방식 때문이었습니다. EAMA가없는 태양 광 장치에서 과학자들은 활성층 표면에 균열이 생기는 것을 보았습니다.이 균열은이 입자 사이의 경계에서 시작되었습니다. 과학자들은 EAMA를 추가했을 때, 추가적인 페 로브 스카이 트 물질이 입자 경계를 채우고 습기가 들어가는 것을 막아서 이러한 균열이 형성되는 것을 막는 것을 관찰했습니다.

연구팀은 또한 PH3T라고하는 소량의 폴리머를 혼합함으로써 정공 수송층 자체를 변형시켰다. 이 중합체는 층에 발수성을 제공함으로써 내 습성을 향상시켰다.

중합체는 또한 이전에 장기 안정성에 대한 개선을 방해했던 주요 문제를 해결했다. 페 로브 스카이 트 태양 광 모듈 상부의 전극은 얇은 금 스트립으로 형성된다. 그러나 시간이 지남에 따라 작은 금 입자는 전극에서 정공 수송층을 통해 활성 페 로브 스카이 트층으로 이동합니다. 이것은 장치의 성능을 돌이킬 수 없게 손상시킵니다.

연구원들이 PH3T를 통합했을 때, 금 입자가 소자 내로 더 느리게 이동하여 모듈의 수명이 크게 증가한다는 것을 발견했습니다.

최종 개선을 위해 과학자들은 유리 외에도 얇은 층의 폴리머 인 파릴 렌을 추가하여 태양 광 모듈에 보호 코팅을 제공했습니다. 이러한 추가 보호 기능을 통해 태양 광 모듈은 2000 시간의 일정한 조명 후에도 초기 성능의 약 86 %를 유지했습니다.

OIST 팀은 AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)의 Said Kazaoui 박사와 협력하여 개선 된 태양 광 모듈을 테스트하고 그 크기의 태양 광 모듈에 대해 매우 높은 효율 인 16.6 %의 효율을 얻었습니다. 연구원들은 이제 더 큰 태양 광 모듈에서 이러한 수정을 수행하여 향후 대규모 상용 태양 광 기술 개발을 향한 길을 이끌고 있습니다.