화학 실리콘 태양전지의 성능을 매우 향상시키는 페로브스카이트

2015.01.20 19:38

졸리운_곰 조회 수:265

실리콘 태양전지의 성능을 매우 향상시키는 페로브스카이트

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-20


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스탠포드 대학(Stanford University)의 연구진은 기존의 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트(perovskite)를 적층하는 것이 태양전지의 전체 효율을 매우 향상시킬 수 있다는 것을 증명했다. 이 연구결과는 저널 Energy &Environmental Science에 게재되었다.

“우리는 더 효율적이고 더 저렴하게 태양 전지 패널을 만들 수 있는 새로운 방법을 찾았다”고 Michael McGehee 교수가 말했다. “현재, 실리콘 태양전지는 세계 시장을 지배하고 있지만, 실리콘 태양전지의 전력 변환 효율은 15년 동안에 단지 25% 정도 증가했다.” 효율을 향상시킬 수 있는 한 가지 비용 효율적인 방법은 실리콘에 저렴한 다른 태양전지 재료를 적층하는 것이다.

“저렴한 적층형 태양전지를 만드는 것은 매우 바람직한 방향”이라고 McGehee가 말했다. “당신은 한 개의 태양전지의 상부에 또 다른 태양전지를 적층할 수 있고, 이로 인해서 태양전지의 효율을 더 향상시킬 수 있다. 상업적인 관점에서, 하부 전지로 실리콘을 사용할 수 있다. 최근까지, 우리는 상부 전지에 적용할 수 있는 페로브스카이트를 찾을 수 있었다”고 McGehee 교수는 설명했다.  

페로브스카이트는 실험실에서 제조하기 쉽고 저렴한 결정성 재료이다. 2009년에, 과학자들은 납, 요오드, 메틸암모늄(methylammonium)으로 만들어진 페로브스카이트가 3.8%의 효율을 가진 태양전지로 만들 수 있다는 것을 증명했다. 그 후부터, 과학자들은 20% 이상의 페로브스카이트 효율을 달성했는데, 이것은 상용 실리콘 태양전지에 필적하기 때문에 실리콘 제조업체로부터 큰 관심을 끌고 있다.

“우리의 목표는 전 세계적으로 존재하는 실리콘 공장을 활용하는 것”이라고 Colin Bailie가 말했다. “적층형 태양전지의 경우에, 당신은 새로운 공장을 제조하기 위한 10억 달러를 필요로 하지 않는다. 대신에, 이 태양전지는 실리콘 모듈을 기반으로 해서 상당히 저렴한 비용으로 페로브스카이트 층을 첨가할 수 있다”고 Bailie가 언급했다. 

태양전지는 태양광의 광자를 두 개의 전극 사이를 움직이는 전류로 전환시킨다. 실리콘 태양전지는 가시광선과 적외선의 광자들을 흡수함으로써 전류를 생성할 수 있고, 페로브스카이트 전지들은 더 많은 에너지를 가진 가시광선에서만 전기를 생성할 수 있다. “스펙트럼의 고-에너지 부분을 흡수함으로써, 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지보다 가시광선의 광자당 더 많은 전력을 생성할 수 있다”고 Bailie가 말했다. 효율적인 페로브스카이트-실리콘 적층을 만드는데 중요한 장애물은 투명성의 부족이다.

“우리는 일부 광자들이 페로브스카이트 층을 관통해서 하부의 실리콘에 흡수될 수 있도록 상부에 투명 전극을 삽입할 수 있는 방법을 찾았다”고 McGehee가 말했다. “어떤 사람도 두 개의 투명 전극을 가진 페로브스카이트 태양전지를 만든 적이 없었다”고 McGehee가 덧붙였다.  페로브스카이트는 열에 의해서 쉽게 손상되고 물속에 쉽게 용해된다. “우리는 이것 위에 은 나노와이어를 가진 플라스틱 시트를 적용했다”고 그는 말했다. “그 후에 우리는 페로브스카이트 태양전지 위에 나노와이어를 전달할 수 있도록 압력을 사용하는 장치를 만들었다”고 그는 설명했다. 

실험을 통해서, 이번 연구진은 단지 11.4%의 효율을 가진 저품질의 실리콘 전지의 상부 위에 12.7%의 효율을 가진 페로브스카이트 태양전지를 적층했다. “거의 동일한 효율을 가진 두 개의 태양전지를 결합함으로써, 당신은 매우 큰 효율의 향상을 얻을 수 있을 것”이라고 Bailie가 말했다. 이 연구결과는 인상적이다.

“우리는 11.4%의 실리콘 태양전지를 적층형 태양전지로 만들어서 17%의 효율을 달성하게 됐는데, 이것은 거의 50%의 효율 향상”이라고 McGehee가 말했다. “이러한 큰 효율 향상은 저품질 실리콘의 상업성을 재정의할 수 있게 한다”고 그는 덧붙였다. 

또 다른 실험에서, 이번 연구팀은 실리콘 태양전지를 CIGS(copper indium gallium diselenide)로 만들어진 전지로 대체했다. 이번 연구진은 17%의 효율을 가진 CIGS 전지 위에 12.7%의 효율을 가진 페로브스카이트를 적층했다. 생성된 적층 태양전지는 18.6%의 전체 전환 효율을 가졌다. "페로브스카이트 태양전지 속의 대부분의 층들이 용액 상태로 증착될 수 있기 때문에, 이것은 거의 비용 증가 없이 기존의 태양전지를 고성능 적층형 태양전지로 업그레이드할 수 있다”라고 이번 연구진은 말했다.

가장 문제가 되는 부분은 페로브스카이트의 장기 안정성이다. “실리콘은 바위” 라고 그는 말했다. “25년 동안 실리콘 위에 약 600℉의 빛을 비추었을 때 어떤 변화도 일어나지 않는다. 그러나 당신이 물 또는 빛에 페로브스카이트를 노출시키면, 이것은 분해될 수 있을 것이다. 우리는 페로브스카이트 태양전지가 지난 25년 동안에 충분히 안정적이라는 것을 확인했다. 우리의 목표는 25%의 효율을 가진 저렴한 적층형 태양전지를 만드는 것이다. 향후 5~10 년 안에, 우리는 30%의 효율을 달성할 수 있을 것이다.” 이 연구결과는 저널 nergy &Environmental Science에 “Semi-transparent perovskite solar cells for tandems with silicon and CIGS”라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1039/C4EE03322A).

그림. 두 개의 태양전지 재료(페로브스카이트, CIGS)로 만들어진 적층형 태양전지의 절단면.
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