광전지의 목적은 햇빛을 전기로 변환하는 것이다. 태양광을 흡수함으로써 전하 캐리어 쌍이 생성되고 전류를 생성하기 위해 광전지 다이오드의 반대쪽으로 유도되어야 한다. 

이 프로세스를 용이하게 하기 위해 대부분의 태양 전지에는 전하를 분리할 수 있는 유리한 에너지 환경을 제공하는 이종접합이 포함되어 있다.

예를 들어, 실리콘 태양전지는 장치의 각 면을 전기적으로 도핑하여 pn접합을 형성함으로써 이종접합을 형성한다. 반면에 유기 태양전지는 벌크 헤테로접합을 형성하기 위해 서로 다른 유형의 재료(도너 및 억셉터)를 혼합하는 데 의존한다. 그러나 이러한 개념은 새로운 광전지 재료의 신흥 등급에는 적용되지 않는 경우가 많다.

Vaynzof 교수와 그녀의 팀은 이제 광전지용 헤테로접합 형성에 대한 완전히 새로운 개념을 보여주었다. 그렇게 하기 위해 연구원들은 물질이 종종 결정상이라고 하는 다른 구조적 구성으로 존재할 수 있다는 사실을 이용한다. 다형성(polymorphism)이라고 하는 이 현상은 동일한 물질이 구조에서 원자와 분자의 특정 배열에 따라 다른 특성을 나타낼 수 있음을 의미한다.

동일한 물질의 두 가지 위상을 연결함으로써 Vaynzof 교수와 그녀의 팀은 처음으로 위상 이종접합 태양전지의 형성을 시연했다. 구체적으로 연구진은 새로운 개념을 구현하기 위해 베타 및 감마 단계에서 고효율 태양전지 흡수체 소재인 세슘 납 요오드화물 페로브스카이트를 선택했다.

"베타 및 감마 단계에서 세슘 납 요오드화물의 광학적 및 전자적 특성은 서로 다릅니다"라고 Vaynzof 교수는 설명한다. "베타-페로브스카이트 위에 감마-페로브스카이트를 배치함으로써 단상 페로브스카이트를 기반으로 하는 태양 전지에 비해 훨씬 더 효율적인 위상 헤테로접합 태양 전지를 제작할 수 있었습니다."

연구원들은 그들의 연구에서 감마 위상의 최상층이 다양한 방식으로 태양 전지의 성능에 영향을 미친다는 것을 보여준다. "감마-페로브스카이트의 얇은 층도 바닥층 표면의 결함 패시베이션으로 인해 성능이 향상되었다. 감마상 층이 두꺼울수록 챔피언 장치가 20% 이상의 전력 변환 효율." 이 연구의 주 저자인 Ran Ji는 덧붙인다.

"고급 분광 분석은 이러한 성능 향상이 광 흡수 증가 및 두 단계 사이의 유리한 에너지 정렬 형성과 관련이 있음을 밝혔습니다." Vaynzof 교수는 설명한다. 중요한 것은 연구원들이 위상 이종 접합이 태양 전지 작동 중에 안정적으로 유지되고 태양 전지 흡수체에서 이온 이동을 억제하여 페로브스카이트 재료의 일반적인 문제를 해결한다는 것을 확인했다.

위상 이종 접합 개념을 실현하기 위해 과학자들은 상단 및 하단 레이어에 대해 두 가지 다른 제조 프로세스를 활용했다. 이 다재다능한 접근 방식은 미래에 그러한 다른 구조를 형성할 수 있는 길을 열어준다.

Vaynzof 교수는 "상 이종 접합을 위한 간단한 제조 경로와 결합된 이 새로운 개념이 다양한 전자 및 광전자 장치의 다양한 재료 시스템에도 적용될 수 있기를 바랍니다."라고 말한다. 많은 반도체 클래스가 다형성을 나타내기 때문에 이 개념은 간단하고 저렴한 제조 공정을 사용하여 단일 재료에서 생성할 수 있는 위상 이종접합을 기반으로 작동하는 완전히 새로운 애플리케이션으로 가는 길을 열어줄 수 있다.

연구보고서: "페로브스카이트 상 이종접합 태양전지"