고효율 저비용 페로브스카이트 태양전지: 진전, 과제, 미래 방향

초록

심화되는 전 세계 에너지 위기에 직면하여 재생 가능 에너지원이 점점 더 중요해지고 있습니다. 태양 에너지는 풍부하고 저렴하여 가장 유망한 후보로 남아 있습니다. 수십 년간 고성능 광전(PV) 소자 개발이 진전되었으나, 모듈의 높은 비용이 광범위한 보급을 제한합니다. 지난 10년간 비용 효율적인 태양전지에 대한 수요가 PV 전 분야의 연구를 가속화했습니다. 이 리뷰는 최근 저비용 고효율 페로브스카이트 태양전지(PSC)의 돌파구에 초점을 맞추며, 주요 발전과 최신 결과를 요약합니다.

서론

오늘날 전 세계 에너지 소비의 약 85%가 화석 연료에서 나오며, 환경 악화와 건강 위험을 초래합니다. 2050년까지 전 세계 에너지 수요가 두 배로 늘어날 것으로 예상됩니다[1]. 이에 대응하여 풍력, 수력, 태양광 같은 재생 전력이 시급한 우선순위가 되었습니다. 2014년 재생 기반 발전 용량 추가는 128 GW에 달했으며, 풍력 37%, 태양광 약 33%, 수력 25% 이상이었습니다[그림 1a]. 태양 에너지의 저비용과 환경 친화성은 PV 연구의 급속한 발전을 촉진했습니다.

PV 기술은 전통적으로 3세대로 분류됩니다: 1세대 웨이퍼 기반(단결정 Si, 다결정 Si), 2세대 박막(a-Si, CdTe, CIGS, CuGaSe), 3세대 다중접합, 유기, 염료감응, 양자점 소자[2]. 실리콘 PV는 성숙했으나 효율 증가는 한계가 있습니다. III-V 전지는 높은 효율을 달성하지만 비용이 너무 높습니다[7-9]. 양자점 전지는 저비용과 고성능을 약속하지만, 많은 경우 독성 중금속에 의존합니다[10-12]. 할라이드 페로브스카이트는 2009년 3.8%에서 2016년 22.1%로 효율이 상승한 혁신적인 저비용 소재로 부상했습니다[13-16]. 그럼에도 장기 안정성은 상용화의 장벽으로 남아 있습니다.

이 리뷰는 PSC 역사, 최근 효율 돌파구, 안정성 과제, 계면 공학 전략을 개괄합니다.

페로브스카이트 SC의 원리와 역사

PSC는 염료감응 태양전지(DSSC)의 저비용 고효율 장점과 할라이드 페로브스카이트 흡수체를 결합합니다. 이 분야는 O'Regan과 Grätzel의 1991년 DSSC 돌파구(~7% 효율)[17]로 촉발되어 2009년 첫 페로브스카이트 기반 DSSC[13]로 이어졌습니다. 초기 소자는 액체 전해질 정공 수송층(HTL)으로 인해 낮은 효율과 열악한 안정성을 겪었습니다.

2012년 Kim, Grätzel, Park은 Spiro-MeOTAD와 mp-TiO₂를 HTM과 ETM으로 사용하는 고체상 메조-초구조 PSC를 개척하여 9.7% 효율을 달성했습니다[14]. 후속 발전으로 단일접합 PSC 효율은 2016년 22.1%까지 상승하여 CH₃NH₃PbI₃₋ₓClₓ의 31.4% 이론적 한계에 접근했습니다[19].

PSC 구조는 일반적으로 ITO/FTO 기판, 페로브스카이트 활성층, HTL, ETL, 전극을 포함합니다. 두 가지 주요 구조는 메조-초구조(MPSC)와 평면(PPSC)입니다[24, 25]. 작동 원리는 페로브스카이트에서의 빛 흡수, 전자-정공 쌍 생성, ETM/HTM에 의한 전하 추출, 전극에서의 수집을 포함합니다.

고효율 페로브스카이트 태양전지

분자내 교환

2015년 6월 Yang 등은 고품질 FAPbI₃ 박막 성장을 위한 직접 분자내 교환법을 도입하여 AM 1.5 G 조명 하에서 20.1% PCE를 달성했습니다[26]. 이 공정은 PbI₂에 삽입된 DMSO 분자를 포름아미디늄 요오드화물로 치환하여 (111) 배향, 큰 입자, 결함 없는 페로브스카이트 층을 생성합니다.

세슘 함유 삼중 양이온 페로브스카이트 태양전지

Saliba 등은 삼중 양이온 페로브스카이트 조성(Csₓ(MA₀.₁₇FA₀.₈₃)₁₀₀₋ₓPb(I₀.₈₃Br₀.₁₇)₃)에 세슘을 도입하여 >21% PCE, 향상된 안정성, 감소된 상 불순물, 낮은 공정 민감도를 달성했습니다[27, 28]. 이 박막은 열적으로 견고하고 용매 증기에 덜 영향을 받아 재현 가능하고 대규모 제조를 용이하게 합니다.

기울기 밴드갭 페로브스카이트 태양전지

2016년 UC 버클리와 LBNL 연구자들은 단일 원자 h-BN 단층으로 분리된 CH₃NH₃SnI₃와 CH₃NH₃PbI₃₋ₓBrₓ 층을 결합한 기울기 밴드갭 설계를 도입했습니다. 탠덤 소자는 26% 최대 PCE를 달성했으며, 안정 상태 효율은 약 21.7%였습니다[29-31]. 이 구조는 가시광선 거의 전체를 포착하여 약 5분 조명 후 안정화되는 시간 의존적 성능을 산출합니다.

페로브스카이트 태양전지의 안정성

효율 향상에도 불구하고 PSC는 여전히 습기, 산소, UV 노출, 열 응력 하에서 현저한 열화를 겪습니다. 최근 연구는 습도가 가장 중요한 요인으로, CH₃NH₃PbI₃를 PbI₂와 휘발성 메틸암모늄 요오드화물로 분해 가속화함을 강조합니다[32-44].

안정성 향상 전략에는 저온 CeOₓ ETL, 혼합 양이온/혼합 할라이드 페로브스카이트, 탄소 전극, 첨단 캡슐화가 포함됩니다. 예를 들어 CeOₓ ETL은 TiO₂ 대비 우수한 광침지 안정성을 보이며, FA₀.₈₃Cs₀.₁₇Pb(I₀.₆Br₀.₄)₃ 소자는 캡슐화 없이 전파장 조명 하에서 성능을 유지합니다[53-55].

계면 공학

계면 품질은 엑시톤 해리, 전하 수송, 소자 수명을 지배합니다. 염소 캡핑된 TiO₂ 콜로이드 나노결정과 페로브스카이트-ETL 간 절연 터널링 층 같은 전략이 >20% 인증 효율과 최대 전력점에서 500시간 후 90% 성능 유지율을 달성했습니다[57-58]. 계산 연구는 전하 선택적 접촉과 결정립 경계에서의 재결합 경로를 추가로 규명합니다[59].

결론

최근 발전으로 단일접합 PSC 효율이 22% 이상으로 상승하여 결정질 실리콘 벤치마크에 접근했습니다. 할라이드 페로브스카이트는 이제 기존 PV 기술에 대한 매력적인 저비용 대안으로 자리잡았습니다. 그럼에도 장기 안정성은 핵심 걸림돌로 남아 있습니다. 소자 구조, 물질 조성, 계면 공학의 지속적 발전이 상용화 준비가 된 고안정성 고성능 PSC를 제공할 것으로 기대됩니다.