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- 페로브스카이트는 일반적으로 A, B 및 X로 지정된 세 가지 유형의 원자 또는 분자로 구성
- ABX3 구조에 특정 구성 요소를 혼합하면 페로브스카이트의 밴드 갭도 정밀하게 조정 가능
- 재료에 따라 PV 재료는 다양한 빛의 파장 범위를 사용할 수 있다
- 재료 종류의 다양성과 우수한 광전자 특성으로 인해 태양 스펙트럼의 다양한 영역을 효율적으로 흡수하도록 맞춤화 가능

결정 가능한 밴드 갭
특수 페로브스카이트 구조의 장점

중요한 것은 구조다. 페로브스카이트는 특정 물질이 아니라 모두 유사한 결정 구조를 갖는 화합물 종류다. 그리고 금속 할로겐화물 페로브스카이트에 특별한 특성을 부여하는 "트릭"은 바로 이 결정 구조다. 

▲ 페로브스카이트는 팔면체 구조로 구성된다. © Solid State /CC-by 3.0

전형적인 페로브스카이트 구조

이러한 페로브스카이트는 소위 ABX3 결정 구조를 갖는다. 이는 일반적으로 A, B 및 X로 지정된 세 가지 유형의 원자 또는 분자로 구성된다. 이들은 함께 소위 팔면체 구조, 즉 모든 방향의 모서리에서 다른 팔면체와 연결되는 육각형 구조를 형성한다. 이 기본 단위의 중앙에는 납과 같은 2가 금속인 B가 있고 모서리는 요오드와 같은 할로겐의 음이온인 X로 구성된다. A 양이온은 구조의 간극에 위치한다.

특별한 점은 이온이나 원소가 교환될 때 많은 물질이 결정 구조를 변경해 특성을 변경하는 반면, 페로브스카이트의 구조는 안정적으로 유지된다는 것이다. 이는 교체된 이온이 매우 다른 특성을 갖는 경우에도 적용된다. 즉, 이전 이온보다 훨씬 크거나 훨씬 작다. 이는 구조에서 팔면체의 측면 길이만 변경한다. 구조는 변형됐지만 여전히 남아 있다.

페로브스카이트의 특성은 "조정"될 수 있다

이러한 이유로 실험실 연구자들은 결정 구조를 완전히 바꾸지 않고도 색상이나 전도성과 같은 페로브스카이트의 원하는 특성을 변경할 수 있다. 화학자들은 분자의 특정 구성 요소를 구체적으로 대체하여 이러한 조정을 수행다. 과정은 매우 간단하다. 원하는 페로브스카이트 혼합물의 출발 물질(예: 메틸암모늄 및 요오드화납과 같은 금속 함유 유기 분자)을 용매와 혼합하고 혼합물을 흔들어 출발 용액을 생성한 후 나중에 기판에 적용한다.

페로브스카이트 용액의 출발 물질을 구체적으로 선택함으로써 생성된 태양전지의 특성을 조정할 수 있다. 이제 기계 학습 알고리즘이 존재하므로 화학자는 금속, 할로겐화물 및 양이온의 가능한 모든 조합을 힘들게 시험할 필요가 없다. 적절하게 훈련된 AI 시스템은 어떤 재료 구성이 원하는 속성을 생성하는지 추정한다. 

▲ 효과적으로 – 페로브스카이트는 실리콘이 "떠나는" 빛의 일부를 흡수한다. © Mariotti 외./ Science /CC-by 4.0

조절 가능한 밴드 갭
특히 태양열 연구에 유용하다. ABX3 구조에 특정 구성 요소를 혼합하면 페로브스카이트의 밴드 갭도 정밀하게 조정할 수 있다. 밴드 갭은 이전에 원자에 결합된 전자가 들뜬 상태에 도달하고 이동성을 갖게 되기 위해 반도체에 공급되어야 하는 에너지를 의미한다. 그래야만 자유롭게 흐르고 전류를 생성할 수 있다. 태양전지 소재의 경우 밴드 갭을 극복하는 데 필요한 에너지는 햇빛에서 나온다.

재료에 따라 PV 재료는 다양한 빛의 파장 범위를 사용할 수 있다. 직렬형 태양전지를 특히 효율적으로 만들려면 두 구성 요소 모두 흡수 스펙트럼에서 최대한 서로를 보완해야 한다. 맞춤형 페로브스카이트 반도체가 등장하는 지점이다. 그들은 탠덤 파트너가 흡수할 수 없는 태양의 파장 범위를 정확하게 기록한다.

예를 들어, 결정질 실리콘은 적색광과 적외선광을 효율적으로 전기로 변환할 수 있다. 이러한 이유로 페로브스카이트 시작 용액은 주로 태양광의 나머지 부분을 사용하는 실리콘 페로브스카이트 태양전지용으로 함께 혼합된다.

▲ 다양한 출발 물질은 페로브스카이트 태양전지의 다양한 특성을 보장한다. © Tobias Abzieher/KIT

KIT(Karlsruhe Institute of Technology)의 Ulrich Paetzold는 “페로브스카이트 반도체의 도움으로 기존 실리콘 태양전지의 효율성을 크게 높일 수 있다. 이것은 하부 실리콘 태양전지 위에 상부 페로브스카이트 태양전지를 적층하는 것과 관련이 있다. 페로브스카이트 태양전지는 재료 종류의 다양성과 우수한 광전자 특성으로 인해 태양 스펙트럼의 다양한 영역을 효율적으로 흡수하도록 맞춤화될 수 있다”고 설명했다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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