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- 1450시간의 햇빛을 받은 후에도 99%의 성능 유지
- 가까운 장래에 24~25%가 가능할 것

페로브스카이트 태양 전지의 내구성 향상
1,450시간의 햇빛을 받은 후에도 99%의 효율성을 유지하는 소재

유망한 개발:
연구원들은 강렬한 조명과 열을 견딜 수 있는 페로브스카이트 재료를 확인했다.
태양 전지에 장착해 1,450시간 가동 후에도 테스트에서 약 99의 효율을 유지했다. 실제로 이 페로브스카이트로 만든 태양 전지는 과학자들이 보고한 대로 2만 시간까지 지속될 수 있다. 그것은 더 얇고 더 강력한 광전지 시스템을 가능하게 할 수 있다. 

▲ 노화 테스트 전의 페로브스카이트 태양 전지 및 박막 샘플. 이와 같은 테스트를 통해 연구자들은 햇빛과 열에서 빨리 분해되지 않는 페로브스카이트 재료를 찾고 있다. © HI ERN / Kurt Fuchs

페로브스카이트는 개별 구성 요소에 관계없이 특정 결정 구조를 갖는 재료다.
광전지에서 페로브스카이트 반도체는 태양광을 전기로 변환할 수 있어 미래의 재료로 간주되며, 실리콘 전지보다 제조 비용이 저렴하고 에너지 효율적이다. 이러한 광물의 결정질 박막은 기상 증착 또는 용액 증착으로 생성될 수 있다.

페로브스카이트 간의 자동화된 추적

그러나 문제는 페로브스카이트 태양 전지가 UV 복사와 열에 노출되자마자 지금까지 빠르게 성능이 저하되어 재료가 분해된다는 것이다. "페로브스카이트 태양 전지의 아킬레스건은 낮은 내구성이다"고 Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy의 선임 저자인 Christoph Brabec이 설명했다. 이러한 태양 전지는 며칠 또는 몇 주가 지나면 성능이 저하되지만, 기존 실리콘 태양 전지는 20년 이상 지속된다.

따라서 Brabec과 그의 팀은 더 내구성이 강한 페로브스카이트 재료를 특별히 찾았다.
이를 위해 수백 가지의 서로 다른 페로브스카이트 혼합물이 자동화된 프로세스를 사용해 내광성을 테스트했다. 제1저자인 Helmholtz Institute의 Yicheng Zhao는 "시험되고 테스트된 구성 요소에만 의존하더라도 우리 프로세스를 통해 자동으로 제조 및 테스트할 수 있는 엄청난 수의 구성 요소를 생각해 낼 수 있다"고 설명했다.

새로운 재료와 적응된 세포 구조

과학자들은 실제로 그들이 찾고 있던 것을 찾았다.
그들은 예비 테스트에서 빛에 의한 열화가 거의 나타나지 않는 페로브스카이트를 식별하고 이를 태양 전지 구성의 기초로 사용했다. 그렇게 함으로써, 그들은 분해의 또 다른 원인을 피하는 방식으로 전지의 구조를 변경했다. 그렇지 않으면 접촉으로 사용되는 도핑된 중합체 또는 금속 산화물 나노입자가 더 높은 온도에서 페로브스카이트의 부식을 촉진한다. 접촉 및 전기 전도성이 일찍 악화된다.

Zhao는 "접점에서 안정성을 개선하기 위해 전체 전극을 일종의 보호 덮개로 포장했다"고 설명했다. 하부는 도핑되지 않고 상부는 비이온성 원소로 도핑된 새로운 이중 층 폴리머 구조는 분해를 방지하고 접촉이 유지되도록 한다. 그런 다음 팀은 65도에서 장기간 노출 테스트에서 이러한 방식으로 구성된 페로브스카이트 태양 전지가 정상 작동에서 얼마나 잘 견디는지 테스트했다.

▲ 고전적인 페로브스카이트 결정 구조. © Solid State/ CC-by-sa 3.0

초기 테스트에서 확인된 내구성

결과:
페로브스카이트 태양 전지는 1,450시간 작동 후에도 초기 효율인 20.5%의 약 99%를 안정적으로 유지했다. Brabec은 "이 값은 장기간 테스트에서 평면 페로브스카이트 태양 전지에 대해 측정된 것 중 확실히 최고다"고 말했다. 페로브스카이트 재료는 또한 정상적인 일광과 햇빛 아래에서 초기 1주 필드 테스트에서 그 자체를 입증했다.

연구팀에 따르면 이 페로브스카이트와 적응된 태양 전지 구조가 결합되어 내구성이 좋은 페로브스카이트 태양 전지 및 탠덤 태양 전지를 생산할 수 있는 새로운 기회를 열 수 있다고 한다. “장기적 예측은 항상 어렵다. 그러나 현재 우리가 개발한 페로브스카이트 태양 전지는 정상적인 상황에서 2만 시간 이상 작동할 수 있다”고 Brabec은 추정한다.

연구원들은 미래에 추가적인 효율성 개선을 목표로 하고 있다.
"20.9%의 효율성으로 테스트된 셀은 아직 잠재력을 완전히 활용하지 못하고 있다. Zhao는 가까운 장래에 24~25%가 가능할 것이라고 설명했다.
(nature energy, 2021; doi: 10.1038 / s41560-021-00953-z)
출처:  Forschungszentrum Jülich / 독일 율리히 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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