(제공: NUS)

삼중접합 페로브스카이트/Si 직렬 태양전지는 1제곱센티미터(0.155제곱인치)의 태양 에너지 흡수 영역에서 27.1%의 인증된 세계 기록 전력 변환 효율을 달성할 수 있으며 지금까지 가장 성능이 좋은 삼중 접합 페로브스카이트/Si 직렬 태양전지를 대표한다.

이를 달성하기 위해 팀은 안정적이고 에너지 효율적인 새로운 시아네이트 통합 페로브스카이트 태양전지를 설계했다.

태양전지는 2개 이상의 층으로 제작하고 조립하여 다중접합 태양전지를 형성하여 효율을 높일 수 있다. 각 층은 서로 다른 광전지 재료로 만들어지며 서로 다른 범위 내에서 태양 에너지를 흡수한다. 그러나 현재의 다중접합 태양전지 기술은 에너지 손실로 인한 낮은 전압, 작동 중 장치의 불안정성 등 많은 문제를 안고 있다.

이러한 과제를 극복하기 위해 싱가포르 국립 대학교(NUS)의 허우 이(Hou Yi) 조교수는 디자인 및 공학 대학(CDE)과 싱가포르 태양 에너지 연구소(SERIS)의 과학자 팀을 이끌고 처음으로 시연했다. 시아네이트를 페로브스카이트 태양전지에 성공적으로 통합하여 다른 유사한 다중접합 태양전지의 성능을 능가하는 최첨단 삼중접합 페로브스카이트/Si 직렬 태양전지를 개발했다.

"놀랍게도 페로브스카이트 기반 태양전지 분야에서 15년 동안 진행된 연구 끝에 이 연구는 구조의 안정성을 높이고 전력 변환 효율을 향상시키기 위해 페로브스카이트에 시아네이트를 포함시키는 최초의 실험적 증거를 구성한다."라고 CDE의 화학 및 생체분자 공학과 교수이자 SERIS의 그룹 리더인 허우는 말한다.

이 획기적인 발견으로 이어진 실험 과정은 네이쳐에 자세히 설명되어 있다.

페로브스카이트 구조 구성 요소 간의 상호 작용에 따라 도달할 수 있는 에너지 범위가 결정된다. 이러한 구성 요소의 비율을 조정하거나 직접 대체 물질을 찾는 것은 페로브스카이트의 에너지 범위를 수정하는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 이전 연구에서는 아직 초광대역 에너지 범위와 고효율을 갖춘 페로브스카이트 제조법을 생산하지 못했다.

최근 발표된 이 연구에서 연구자들은 페로브스카이트에서 일반적으로 사용되는 할로겐화물 그룹의 이온인 브롬화물 대신 새로운 유사 할로겐화물인 시아네이트를 실험했다. 허우 팀의 연구원인 리우 순창(Liu Shunchang)은 다양한 분석 방법을 사용하여 시아네이트가 페로브스카이트 구조에 성공적으로 통합되었음을 확인하고 시아네이트 통합 페로브스카이트 태양전지를 제작했다.

새로운 페로브스카이트의 원자 구조에 대한 추가 분석은 시아네이트를 통합하면 구조를 안정화하고 페로브스카이트 내 주요 상호 작용을 형성하는 데 도움이 된다는 실험적 증거를 처음으로 제공했으며, 이는 시아네이트가 페로브스카이트 기반 태양 전지에서 할로겐화물을 대체할 수 있는 방법을 보여주었다.

연구진은 성능을 평가할 때 시아네이트가 포함된 페로브스카이트 태양전지가 기존 페로브스카이트 태양전지의 1.357V에 비해 1.422V의 더 높은 전압을 달성할 수 있으며 에너지 손실을 크게 줄일 수 있음을 발견했다.

연구원들은 또한 통제된 조건에서 300시간 동안 최대 전력으로 지속적으로 작동하여 새로 설계된 페로브스카이트 태양 전지를 테스트했다. 테스트 기간 후에도 태양전지는 안정적으로 유지되었으며 96% 용량 이상으로 작동했다.

시아네이트 통합 페로브스카이트 태양전지의 인상적인 성능에 고무된 연구진은 이를 사용하여 삼중 접합 페로브스카이트/Si 직렬 태양전지를 조립함으로써 획기적인 발견을 한 단계 더 발전시켰다. 연구진은 페로브스카이트 태양전지와 실리콘 태양전지를 쌓아 이중 접합 반쪽 전지를 만들어 시안산염 일체형 페로브스카이트 태양전지 부착을 위한 이상적인 기반을 제공했다.

연구진은 일단 조립된 후 삼중 접합 페로브스카이트/Si 직렬 태양전지 구조의 복잡성에도 불구하고 안정성을 유지하고 공인된 독립 광전지 교정 연구소로부터 인증된 세계 기록 효율 27.1%를 달성했음을 입증했다.

허우 어스트(Hou Asst) 교수는 “총체적으로 이러한 발전은 페로브스카이트 태양전지의 에너지 손실을 완화하는 데 대한 획기적인 통찰력을 제공하고 페로브스카이트 기반 삼중접합 태양광 기술의 추가 개발을 위한 새로운 방향을 제시한다.”라고 말한다.

삼중 접합 페로브스카이트/Si 직렬 태양전지의 이론적 효율은 50%를 초과하며, 특히 설치 공간이 제한된 응용 분야에서 추가 향상이 가능한 상당한 잠재력을 제시한다.

앞으로 팀은 효율성과 안정성을 저하시키지 않으면서 이 기술을 더 큰 모듈로 확장하는 것을 목표로 합니다. 향후 연구는 페로브스카이트의 인터페이스와 구성의 혁신에 중점을 둘 것이다.

출처: 싱가포르 국립대학교