페로브스카이트 태양전지. 이미지 출처: Stanford ENERGY, Wikimedia Commons를 통한 Mark Shwartz의 비디오, CC BY 2.5

페로브스카이트 기반 태양 전지는 광전지 분야를 혁신할 수 있는 잠재력으로 인해 최근 몇 년 동안 주목을 받았다. 저비용 재료와 기존 실리콘 및 기타 셀 유형보다 저렴한 간단한 프로세스를 사용하여 제작할 수 있다. 생산도 빠르게 할 수 있어 대규모 제조에 유리하다. 가볍고 유연한 기판에 배치되어 다양한 응용 분야를 제공하고 설치가 더 쉽다. 또 다른 장점은 다양한 파장의 빛을 흡수하도록 조정할 수 있는 다양성과 용이성이다.

그러나 페로브스카이트 태양 전지는 아직 개발 초기 단계에 있으며 널리 채택되기 전에 안정성 및 내구성 문제와 같은 해결해야 할 몇 가지 문제가 있다.

페로브스카이트는 결정 구조로 정의되며 실리콘보다 빛을 더 잘 흡수한다. 페로브스카이트 재료는 "이온성"이며 전압을 가하면 이온이 재료를 통해 이동한다. 이러한 이동하는 이온은 궁극적으로 재료를 비효율적이고 불안정하게 만드는 화학적 및 구조적 변화에 기여하는 것으로 여겨진다. 실용적인 페로브스카이트 태양 전지를 만들기 위해 연구자들은 이 문제를 해결할 방법을 찾아야 한다.

노스캐롤라이나 주립 대학(NCSU)의 연구원들은 최근 중요한 돌파구를 발표했다. 네이처에 기고한 글에서 그들은 페로브스카이트 재료의 정의된 경로로 이온 채널링이 어떻게 페로브스카이트 기반 태양열의 안정성과 작동 성능을 향상시키는지 설명한다. 이 발견은 실용화에 적합한 차세대 더 가볍고 유연하며 효율적인 태양 전지 기술을 위한 길을 열어준다.

"우리는 이온이 페로브스카이트 물질을 통해 이동하는 것을 방지하는 방법을 찾지 못했다."라고 NCSU의 재료 과학 및 공학 교수인 Aram Amassian은 설명한다. "그러나 우리는 재료의 구조적 무결성이나 성능을 손상시키지 않는 안전한 도관으로 이러한 이온을 유도하는 것이 가능하다는 것을 발견했다. 이는 큰 발전이다."

이 경우 안전한 도관은 입자 경계라고 하는 것이다. 페로브스카이트 재료는 다결정이다. 즉, 서로 같은 높이에 있는 일련의 결정 또는 "입자"로 형성된다. 이 입자는 빛을 흡수하고 전류에 필요한 전하를 생성한다. 각각의 결정립은 동일한 결정 구조를 갖지만 결정립은 약간 다른 방향으로 배향될 수 있다. 결정립이 만나는 부분을 결정립계라고 한다.

"우리가 발견한 것은 이온이 주로 입자 경계를 따라 이동할 때 입자가 손상으로부터 더 잘 보호된다는 것이다."고 현재 펜실베니아 주에 있는 NCSU의 전 박사후 연구원인 Masoud Ghasemi는 설명한다.

"이것을 페로브스카이트 재료에 대해 이미 알려진 것과 결합하면 입자 경계가 약할 때 문제가 시작되어 이온이 입자 자체로 더 쉽게 이동할 수 있다는 것이 분명하다. 결정립을 보호하는 더 강한 결정립 경계를 설계하는 것은 이동하는 이온 및 산소와 같은 기타 유해한 종이 결정립에 들어가는 것을 차단하여 재료의 문제가 있는 화학적 및 구조적 변화를 완화하는 데 필수적이다."

Amassian은 "페로브스카이트 재료와 입자 경계를 설계하는 데 사용할 수 있는 확립된 기술이 있기 때문에 이것은 중요한 통찰력이다. 이제 입자를 보호하기 위해 이러한 접근 방식을 사용할 수 있다."라고 Amassian은 설명한다. "우리는 이 기술이 이 논문에서 결정립 경계를 강화하는 방법을 보여준다. 요컨대 우리는 이제 훨씬 더 안정적인 페로브스카이트를 만들기 위해 무엇을 해야 하는지 알고 있다."

이 기술은 또한 보다 효율적인 에너지 저장 기술을 개발하는 데 도움이 될 수 있다.

Amassian은 "이 작업은 할로겐화물 페로브스카이트뿐만 아니라 전하를 운반할 수 있는 모든 결정질 물질을 통해 이온이 어떻게 이동하는지에 대한 근본적인 이해를 발전시킨다"고 말했다. "우리는 이것이 더 빠른 이온 전도체의 엔지니어링에 어떻게 정보를 제공할 수 있는지에 대해 에너지 저장을 연구하는 동료들과 이야기하게 되어 기쁘다."

단일 접합 페로브스카이트 태양 전지의 세계 기록 효율성은 최근 25% 이정표를 통과했다. NCSU 팀은 그들의 혁신이 40% 이상의 효율을 창출할 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 믿으며, 이는 페로브스카이트를 모든 태양 전지 유형 중에서 가장 유망한 것으로 만들 수 있다.