페로브스카이트로 태양광 발전을 두드리다
페로브스카이트 태양전지는 단지 지난 일년 반동안 집중적으로 연구되었다.

연구자들은 전기 출력을 더 높이기 위해 페르보스카이트의 화학 조성을 짜 맞추고 공정 방법과 셀 안정성을 향상시키고 왜 이 태양전지가 예상외로 성능이 좋은지를 이해함으로써 셀의 매력을 재빨리 높혔다.  

페로보스카이트이라는 이름은 오래전 발견된 광물인  CaTiO3으로 부터 왔다. 오늘날 과학자들은 이 용어를 CaTiO3와 같이 ABX3의 화학양론을 보이고 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질 전체를 부르는데 사용한다.

요즘 태양전지를 뒤흔드는 페로브스카이트는 유기 금속인 trihalide인데 가장 일반적으로 연구되고 있는 것은 CH3NH3PbI3이다.

고순도의 결정질 Si 태양전지는 약 25%의 효율에 도달하지만 그런 성능을 내기 위한 비용이 많이 들어간다. 유기 태양전지의 경우는 싸게 만들 수 있지만 효율이 약 11% 정도로 낮다.


(광은 투명 전극(청색)을 통해 감광성의 페로브스카이트 물질(적색)으로 들어가서 전자-홀 쌍을 만든다. 전하 입자 분리와 확산이 전하 전도층을 통해 각 전극으로 일어난다.)

그에 반해, 페로브스카이트 태양전지는 특히 2012~2013 동안 발전에 발전을 거듭하여 현재 16%보다 높은 효율을 나타낸다. 이 태양전지는 저가격과 우수한 성능을 동시에 보이며 특히 저가격은 싼 재료와 공정 비용이 낮기 때문이다.

페로브스카이트 태양전지는 일반적인 습식 기술을 사용하여 만들 수 있는데  액체상 화학적 반응과 스프레이와 스핀 코팅과 같은 물질 코팅 방법을 통해 간단하게 만들 수 있어 결국 크린룸과 복잡한 제조 장비를 간단한 benchtop 공정으로 바꿀 수 있다.

페로브스카이트 태양전지는 DSSCs(dye-sensitized solar cells)와 많은 공통점을 갖고 있다. 그리고 DSSCs는 양자점 태양전지와 밀접한 관계가 있다. 이들 3 태양전지에서 큰 차이점은 광흡수체의 본성이다; trihalide, 염료, 무기 양자점.

DSSCs의 결점 중 하나는 염료가 코팅되어 있는 TiO2 막의 두께인데 효과적으로 광전기변환을 하기 위해서는 수 um 두께가 필요하기 때문에 플렉서블 소자로 만들기에는 쉽지 않다.

Robert P.H.Chang(Northwestern 대학) 교수는 페로브스카이트 기반 태양전지는 다른 형태의 태양전지에 비해 더 앏고 더 쉽게 그리고 잠재적으로 더 싸게 만들수 있다는 것을 알았다.

이들 특성의 몇몇은 Tsutomu Miyasaka(Toin 대학)와 그의 동료들이 밝혀냈다. TiO2 막을 CH3NH3I와 PbI2을 들어 있는 용액으로 처리함으로써 그들은 TiO2를 CH3NH3PbI3 나노결정의 층으로 코팅하는 자기 조립 공정을 유발시켰다. 유기 전해질 용액과 함께 페로브스카이트가 코팅된 TiO2 막을 전도성 유리 전극 사이에 샌드위치시켜 triiodide 셀을 만들었는데 효율이 3.8% 였다.

이 성능은 그다지 대단하지 않은데 Nam-Gyu Park(성균관대)팀은 TiO2 막 표면의 본성과 페로브스카이트 나노결정 크기를 최적화함으로써 triiodide 셀의 효율 6.5%을 달성했다.

하지만 이 셀 성능은 다 만들어진 소자에 남아 있는 전해질 용액에 의존하는데 전해질 용액은 셀의 수명을 극단적으로 단축시키기 때문이다.

일반적인 이 물질은 홀 전도체인 iodide/triiodide(I-/I3-) 산화환원쌍인데 부식성과 휘발성이 강해 재빨리 trihalide 페로브스카이트를 분해시킨다.



그래서 부식성이 없는 고체 전해질이 필요했고 spiro-OMeTAD로 알려진 spirobifluorene 족에 있은 홀을 전도하는 polyaromatic 링(ring) 화합물을 찾았다.

Park과 Gratzel은 고체 spiro-OMeTAD/triiodide 페로브스카이트 셀을 만들었고 더 향상된 안정성과 효율 9.7%을 달성했다.

Snaith와 Miyasaka은 spiro-OMeTAD/혼합된 halide 페로브스카이트(CH3NH3PbI2Cl) 셀을 만들었다. 그들은 TiO2 대신 절연체인 Al2O3로 대체했을 때  놀랍게도 효율 10.9%을 달성했다. 그들은 Al2O3가 고표면적 발판의 역할을 할 뿐아니라 고품질의 페로브스카이트층의 형성을 이끌어 낸다고 제안했다. 결과적으로 페로브스카이트 결정은 전자를 매우 효과적으로 수집하고 수송시킬 수 있다.

또한 비슷한 시기에 Chang과 Mercouri G. Kanatzidis는 페로브스카이트 물질(F가 도핑된 CsSnI3)을 홀 전도 물질로써 효율 10.2%의 고체 태양전지를 성공적으로 만들었다.

2013년에 들어서는 KRICT의 연구자들이 polytriarylamine을 홀 전도체로 사용해서 12%의 페로브스카이트 태양전지를 만들었다.

Saskatchewan 대학의 Dianyi Liu와 Timothy L. Kelly는 고온 공정이 필요한 TiO2 대신 상당히 얇은 ZnO층으로 교체해서 효율 10%가 넘는 플렉서블한 trihalide 페로브스카이트 태양전지를 만들 수 있었다.

지금까지 페로브스카이트 태양전지의 최고 효율은 KRICT에서 나왔는데 16.2%이다.

참고: http://cen.acs.org/articles/92/i8/Tapping-Solar-Power-Perovskites.html