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페로브 스카이트 반도체는 차세대 태양전지에 유망한 소재로 꼽힘. 광전지용 반도체의 적합성은 소위 광 발광 양자 효율에 의해 무엇보다도 반영됨. 독일 카를스루에 공과대학의 연구진은 이제 페로브 스카이트 필름의 광 발광 양자 효율을 처음으로 정확하게 결정할 수 있는 모델을 개발함.

태양광 발전은 지속 가능한 에너지 공급에 결정적으로 기여함. 빛 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 태양전지의 효율성은 사용되는 재료에 따라 다름. 금속 할로겐화물 페로브 스카이트는 차세대 태양전지에 매우 유망한 재료로 간주됨. 특수한 결정 구조의 이름을 따서 명명된 이 반도체를 사용하여 지난 몇 년 동안 상당한 효율성 향상을 달성함.

한편 페로브 스카이트 태양전지의 효율은 최대 25.5%로 현재 시장을 장악하고 있는 실리콘 태양전지와 거의 비슷한 수준임. 더욱이 페로브 스카이트 태양전지에 필요한 재료는 다소 풍부함. 태양전지는 쉽고 저렴하게 생산할 수 있으며 다양한 용도로 사용할 수 있음. 이론적으로 달성 가능한 페로브 스카이트 태양전지의 효율은 약 30.5%임. 이 값에 접근하려면 페로브 스카이트 반도체의 광전자 품질이 더욱 향상되어야 함. 원칙적으로 태양광에 적합한 소재는 빛을 흡수할 뿐만 아니라 효율적으로 방출할 것으로 기대됨. 이 과정을 광 발광이라고 함. 해당 매개 변수인 광 발광 양자 효율은 페로브 스카이트 반도체의 품질을 결정하는 데 완벽하게 적합함.

연구진은 광 발광을 통해 모델을 개발했는데, 페로브 스카이트 필름의 양자 효율은 처음으로 안정적이고 정확하게 결정될 수 있고, 재료는 예상보다 더 많은 최적화 가능성을 가지고 있음.

연구진은 이 모델을 가장 높은 광 발광 양자 효율을 가진 페로브 스카이트 중 하나인 메틸암모늄 리드 트리 아이오다이드(CH3NH3PbI3)에 적용함. 지금까지 약 90%에 달하는 것으로 추정됨. 그러나 모델 계산에 따르면 약 78%임. 과학자들은 이전의 추정이 빛 산란의 효과를 적절하게 고려하지 않았기 때문에 광자(빛 에너지의 양자)가 재흡수되기 전에 필름을 떠날 확률을 과소 평가했다고 설명함.

이러한 재료의 최적화 가능성은 예상보다 훨씬 높다는 것을 보여주며, 연구진은 다양한 페로브 스카이트 물질의 광 발광 양자 효율을 계산할 수 있는 모델을 기반으로 하는 오픈 소스 애플리케이션을 제공함.

본 연구 성과는 Matter ("Revealing the internal luminescence quantum efficiency of perovskite films via accurate quantification of photon recycling")에 게재됨.