Perovskite solar cell 페로브스크 카이트 / 자료 모으기

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스위스와 독일 연구진은 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지의 작동 메커니즘에 대한 새로운 연구결과를 발표했다.

페로브스카이트 기반의 태양전지는 에너지 분야에서 매우 흥미로운 주제이고, 2013년에 큰 진전을 이루었다. 단지 몇 년 사이에, 페로브스카이트 기반의 태양전지의 효율은 3%에서 16%로 매우 증가했다. 그러나 페로브스카이트 기반의 태양전지의 작동 메커니즘에 대해서는 잘 알려지지 않았다. 로잔 연방공과 대학(Federal Polytechnic Institute in Lausanne)과 헬름몰츠-젠트럼 태양열 전지연구소(Helmholtz Center Berlin-Institute for Solar Fuels)의 연구진은 이 광발광 반도체가 표면을 따라서 전자를 전달한다는 새로운 작동 메커니즘을 밝혀내었다. 이번 연구진은 시간 분해성 분광 기술을 이용해서 서로 다른 구조를 가진 페로브스카이트 기반의 태양전지를 조사했다. 이 연구결과는 저널 Nature photonics에 온라인으로 게재되었고, 향상된 효율을 가진 광발전 컨버터의 디자인을 위한 새로운 방법을 열어 줄 것이다.

이번 연구진은 전하가 페로브스카이트 표면을 어떻게 이동하는지를 평가하기 위해서 시간 분해성 분광기술을 사용했다. 이번 연구진은 반도체성 티타늄 이산화물 또는 절연체 알루미늄 3산화물(aluminum trioxide) 박막을 사용함으로써 다양한 전지 구조를 조사할 수 있었다. 두 개의 다공성 박막은 CH3NH3PbI3(lead iodide perovskite)과 유기 “정공-전달 재료(hole-transporting material)”로 함침되었는데, 이것은 양 전하를 추출해서 광 흡수를 도와준다. 시간 분해성 기술은 초고속 레이저 분광기술과 마이크로파 광전도성을 이용하는 것이다.

레이저 분광법과 마이크로파 광전도성 측정은 CH3NH3PbI3으로 함침된 TiO2와 Al2O3 메조다공성 박막의 특성을 평가하는데 사용되었다. 이번 연구진은 주요 전하 분리가 TiO2와 정공 전달 재료를 가진 두 개의 접합에서 발생한다는 것을 증명했다. 이때 광여기된 페로브스카이트에서 초고속 전자 및 정공 전달이 발생했다.

이 연구결과는 다음과 같은 두 개의 핵심 주제로 나뉠 수 있다. 첫 번째로, 태양광이 페로브스카이트 광-흡수체에 도달한 후에 전하의 흐름은 티타늄 이산화물과 정공 전달 물질의 두 개의 접합과 피코세컨드(picosecond) 이하의 시간에서 전자 전달을 통해서 발생한다. 두 번째로, 이번 연구진은 전하 재결합이 알루미늄 박막보다 티타늄 이산화물 박막에서 상당히 느리다는 것을 마이크로파 광전도성을 측정함으로써 알게 되었다. 전하 재결합은 전환된 에너지를 열로 바뀌는 해로운 프로세스이고, 이로 인해서 태양전지의 전체 효율이 감소된다.

이번 연구진은 납 할라이드 페로브스카이트(lead halide perovskites)가 태양전지의 독특한 반도체 물질로 사용했을 때 전자 및 양 전하의 초고속 전달이 자발적으로 일어나게 하고 두 종류의 전하 캐리어가 굉장히 효율적으로 전달한다는 것을 발견했다. 이 연구결과는 티타늄 이산화물 박막과 정공 전달 재료를 기반으로 하는 구조에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Photonics에 “Unravelling the mechanism of photoinduced charge transfer processes in lead iodide perovskite solar cells”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nphoton.2013.374).

그림 1. 페로브스카이트 태양전지의 주사전자 현미경. 유리 기판 위에 높은 다공성을 가진 티타늄 이산화물이 증착되는데, 이것은 페로브스카이트로 함침된다. 이 박막은 유기 정공 수송 재료와 금 접점에 의해서 코팅된다.
그림 2. HTM/페로브스카이트/TiO2 태양전지의 에너지 수준과 전자 전달 프로세스를 보여주는 구조도.

출처: KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』2014-01-27

페로브스카이트 태양 전지 – 한국 진공학회 2014.12.12 진공이야기 4호

Perovskite_(structure) – wiki

scientificamerican / perovskite-solar-cells-supercharge-electricity-production/

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