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오키나와(沖縄)과학기술대학원대학(OIST) 연구그룹이 결함을 저감시킨 새로운 제조 기술을 사용하여 안정성과 효율성을 향상시킨 페로브스카이트 태양전지 모듈을 제작함.

기능적 태양전지 디바이스에서는 페로브스카이트 층이 중앙에 위치한 2개의 수송층과 2개의 전극 사이에 끼어 있음. 페로브스카이트 활성층이 태양광을 흡수하여 전하 캐리어가 발생하면 수송층을 통해 전극에 흐르는 전류를 발생시킴. 그러나 페로브스카이트 층의 핀홀 및 개별 페로브스카이트 입자 간 경계의 결함에 의해 페로브스카이트 층으로부터 수송층으로의 전하 캐리어의 이동이 흐트러져 효율이 저하될 수 있음. 또한 이러한 결함 부위는 습기나 산소에 의해 페로브스카이트 층이 열화되어 디바이스의 수명을 단축시킴.

현재 생산되는 태양전지의 대부분은 두께가 불과 500nm인 얇은 페로브스카이트 층으로 되어 있음. 이론적으로 페로브스카이트 층이 얇으면 전하 캐리어가 상하 수송층으로 이동하는 거리가 짧아지기 때문에 효율이 향상될 것이라 생각되지만, 보다 큰 모듈을 제작할 경우 얇은 막에 종종 더 많은 결함이나 핀홀이 발생했음.

연구진은 두께가 2배인 페로브 스카이트 막을 갖는 5×5cm2와 10×10cm2의 태양전지 모듈을 제작함. 페로브스카이트의 두꺼운 막을 형성하기 위해 사용하는 전구체 물질인 요오드화납을 충분한 농도로 용해해야 하는데, 연구진은 요오드화납의 용해도를 높이기 위해 염화암모늄을 첨가함. 요오드화납 유기 용매에 대한 용해도가 향상되어 보다 균일한 페로브스카이트 막을 얻을 수 있었음.

결과적으로 페로브스카이트 용액에서 암모니아가 제거되어 페로브스카이트 막 내의 불순물의 양이 감소됨. 5×5m2의 태양전지 모듈의 효율은 14.55%로, 염화암모늄을 사용하지 않은 모듈의 효율인 13.06%를 상회함. 또한, 이 80% 이상의 효율로 1600시간(2개월 이상)도 작동시킬 수 있었음. 10×10m2의 모듈의 효율은 10.25%로 1100시간 이상, 즉 약 46일간 높은 효율을 유지함.

해당 크기의 페로브 스카이트 태양전지 모듈의 수명을 측정한 값이 보고된 것은 이번이 최초이며, 향후 연구진은 용액이 아닌 증기를 사용하는 방법으로 페로브스카이트 태양전지 모듈을 제작하고 기술을 최적화 할 예정에 있으며, 현재는 15×15m2의 모듈로 확장하려는 연구를 시도하고 있음.

본 연구 성과로 인해 실리콘계 태양전지 보다 효율성과 안정성을 갖춘 태양전지 모듈이 상업화 가능한 크기로 제조될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Advanced Energy Materials (Scalable Fabrication of> 90cm2 Perovskite Solar Modules with> 1000h Operational Stability Based on the Intermediate Phase Strategy)에 게재됨.