페로브스카이트 태양전지 효율 신기록 달성

중국과학기술대학교(USTC)의 쉬지셴(XU Jixian) 교수가 이끄는 연구팀은 태양전지 기술의 새로운 글로벌 표준을 설정했다. 7월 3일자로 Solar Cell Efficiency Tables(버전 64)는 Xu 교수의 팀이 페로브스카이트 태양전지에 대해 26.7%의 인증된 안정적인 효율을 달성하여 중요한 이정표를 세웠다고 발표했다.

"호주 첨단태양광발전센터(Australian Centre for Advanced Photovoltaics)가 미국, 일본, 이탈리아 및 기타 국가의 과학자들과 공동으로 발표한 태양전지 효율표는 거의 30년의 역사를 가지고 있습니다. 태양 전지 효율에 대한 객관적인 평가는 국제 태양광 학계 및 산업 커뮤니티에서 널리 인정받고 있습니다."

Xu 교수 팀의 이번 성과는 3년 연속 페로브스카이트 태양전지 효율의 기준을 높인 것이다. 2022년(버전 60)과 2023년(버전 63)에는 세계 기록도 세웠다. 2023년에는 역페로브스카이트 태양전지의 26.1%를 인증받아 기존 태양전지를 추월했다. 이러한 지속적인 발전은 태양광 혁신의 한계를 뛰어넘기 위한 팀의 헌신을 강조한다.

그들의 최근의 성공은 태양 전지 기술의 중요한 발전을 나타낼 뿐만 아니라 탠덤 태양 전지의 개발을 강화한다.

USTC의 성과가 Solar Cell Efficiency Tables에 포함된 것은 태양광 연구에서 대학의 리더십을 강조한다. 이러한 돌파구는 재생 에너지 부문의 추가 기술 발전을 촉진하여 지속 가능한 에너지 솔루션을 향한 전 세계적인 변화에 기여할 것으로 예상된다.

태양 에너지는 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 청정 에너지원으로 전환하는 데 중요한 구성 요소이다. 시간이 지남에 따라 태양 전지는 상당한 발전을 이루어 재생 에너지를 활용하는 데 점점 더 효율적이 되었다. 메탈할라이드 페로브스카이트는 태양광을 에너지로 효과적으로 변환할 수 있는 인상적인 광전자 특성으로 인해 태양 전지의 핵심 소재로 부상했다.

페로브스카이트 태양전지(PSC)에서 높은 전력 변환 효율(PCE)을 생성하는 주요 재료 중 하나는 좁은 에너지 밴드 갭으로 알려진 다결정 포름아미디늄 납 요오드화물(FAPbI3)이다. 그러나 우수한 특성에도 불구하고 FAPbI3와 같은 다결정 페로브스카이트는 결정 구조의 결함으로 어려움을 겪고 있다. 이러한 결함은 구조적 안정성과 에너지 변환 능력에 영향을 미쳐 전반적인 성능을 저해한다.

이에 대응하기 위해 광주과학기술원(GIST) 김호범 교수가 이끄는 연구팀은 이러한 결함을 획기적으로 줄이고 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 향상시키는 것을 목표로 하는 혁신적인 결함 패시베이션 전략을 개발했다. 2024년 7월 4일 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 발표된 이번 연구는 육각형 폴리타입(6H) 페로브스카이트를 입방 폴리타입(3C) FAPbI3에 도입했다. 이러한 발전은 다른 변이에 비해 PCE의 유의한 개선으로 이어졌다.

"지금까지의 일반적인 접근 방식은 결함 문제를 해결하기 위해 외부 화학 시약을 도입하는 것이었습니다. 그러나 외부 시약을 가져오면 결정 성장 중 페로브스카이트의 결정 품질에 직접적인 영향을 미칠 수 있으므로 우리의 작업은 이러한 안정제에 의존하지 않습니다. 대신 화학적으로 동일한 페로브스카이트 폴리타입, 즉 페로브스카이트의 결함 형성을 효과적으로 억제하는 모서리 공유 성분을 포함한 6H 폴리타입을 사용합니다." 김 교수의 설명이다.

연구팀은 과량의 요오드화납과 염화메틸암모늄을 사용하여 6H 페로브스카이트를 FAPbI3에 통합했다. 이 프로세스는 cubic polytype(3C) FAPbI3의 주요 결함 부위와 상호 작용하는 구성 요소를 생성하여 구조적 무결성과 캐리어 역학을 향상시켰다. 그 결과 18마이크로초 이상의 매우 긴 캐리어 수명과 24.13%의 PCE를 가진 PSC가 탄생했다. 이 모듈은 21.92%의 PCE를 달성했으며 21.44%의 인증 효율성과 장기 운영 안정성을 달성했다.

연구진은 3C 및 6H 폴리타입의 조합이 다결정 페로브스카이트 필름을 위한 최적의 구성이 될 수 있다고 제안했다. 이 발견은 PSC 기술의 추가 발전을 위한 길을 열어 옥상 태양 전지판, 웨어러블 장치 및 휴대용 충전기와 같은 개인 및 상업용 응용 분야 모두에서 더 실용적으로 만든다.

"페로브스카이트 태양전지는 탄소 중립을 달성하고 지구 온난화를 해결하기 위한 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 효율성, 다양성 및 환경 영향 감소는 지속 가능한 미래로의 전환에 필수적인 구성 요소입니다"라고 Kim 교수는 결론지었다.