나노기술 및 정책 정보

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최근 유무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 빠르게 발전하였으며 광전기 전환 효율은 3.8%에서 현재 25.5%의 인증 효율 수준에 도달하여 응용 잠재력이 제일 큰 태양전지에 속한다는 평가를 받고 있음.

칼슘-티타늄 태양전지는 높은 광전기 전환 효율을 보이고 있어 폴리실리콘 박막 태양전지와 비교할 수 있는 수준이지만 전지의 장기적인 안정성은 상용화 요구에 도달하지 못하고 있음.

또한, 종래의 저온 용액 방법은 칼슘-티타늄 필름을 간단하게 제조할 수 있지만 제조된 칼슘-티타늄 광석은 일반적으로 다결정 필름이며, 결정계나 표면에 바늘구멍이나 결함이 쉽게 생성됨.

이들 결함은 광에 의해 생성된 캐리어를 캡처하여 캐리어의 확산을 제한하고 캐리어의 수명을이고, 이온 이동 및 확산을 유발하여 궁극적으로 디바이스의 안정성과 효율성을 저하시킴.

중국과학원 기능 나노 구조 디자인 및 조립/푸졘성(福建省, 복건성) 나노소재 중점 실험실 가오펑(高鵬, 고붕) 연구원 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 칼슘-티타늄 태양전지의 표면 결함과 수분 침식으로 인해 발생하는 안정성 문제를 해결하기 위해 일련의 D-π-A형 포르피린 분자를 개발하였음. 동 포르피린 소분자는 칼슘-티타늄 광석의 표면 결함을 패시베이션하는 메커니즘을 연구하는데 중요한 역할을 하였음.

연구팀은 이번 연구를 통해 일련의 포르피린 CS0, CS1, CS2를 이용하여 칼슘-티타늄 광석 표면을 처리하여 표면 결함을 효과적으로 둔화시켜 perovskite/HTM 인터페이스 간의 비(非) 복사 복합을 억제시킨다는 점을 발견하였으며, 포르피린 분자 상에 소수형 긴 알킬 체인이 존재하기 때문에 공기 속의 물 분자 침입을 효과적으로 차단할 수 있다는 점을 발견하였음.

CS0, CS1, CS2 둔화에 기반한 칼슘-티타늄 태양전지는 모두 우수한 습도 안정성을 나타내어 디바이스 성능을 향상시키는 것으로 나타났으며, CS1 둔화에 기반한 디바이스는 22.3%에 달하는 최고의 전지 효율을 실현하였음.

관련 측정 테스트 결과, 번호가 CS0-CS2인 포르피린 소재 상의 시안 기(基) 아크릴산 기능 그룹이 칼슘-티타늄 광석의 결정격자 표면과 결정계의 결함을 성공적으로 둔화시켜 디바이스의 VOC와 FF를 향상시키는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Functional Materials’ ("Donor–π–Acceptor Type Porphyrin Derivatives Assisted Defect Passivation for Efficient Hybrid Perovskite Solar Cells") 지에 게재됨.