연구를 통해 차세대 태양전지 설계를 위한 나노 규모의 비밀 밝혀

28년 2024월 XNUMX일

(나노 워크 뉴스) 페 로브 스카이 트특정 종류의 결정 구조를 가진 광범위한 종류의 화합물인 는 오늘날의 실리콘 또는 카드뮴 텔루르화물 태양 전지 패널에 대한 유망한 대안 또는 보충제로 오랫동안 여겨져 왔습니다. 훨씬 더 가볍고 저렴할 수 있으며 쉽게 운반할 수 있도록 말아서 사용할 수 있는 종이나 유연한 플라스틱을 포함한 거의 모든 기판에 코팅할 수 있습니다. 햇빛을 전기로 변환하는 효율성 측면에서 페로브스카이트는 제조에 여전히 길고 복잡하며 에너지 집약적인 공정이 필요한 실리콘과 비슷해지고 있습니다. 한 가지 큰 남은 단점은 수명입니다. 실리콘 태양광 패널은 20년 이상 지속될 수 있는 반면, 몇 달에서 몇 년 안에 고장나는 경향이 있습니다. 그리고 대규모 모듈 영역에 대한 효율성은 여전히 실리콘보다 뒤떨어져 있습니다. 이제 MIT와 기타 여러 기관의 연구진은 페로브스카이트 장치의 나노 규모 구조를 엔지니어링하여 효율성을 최적화하고 성능 저하를 더 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 공개했습니다. 이 연구는 고효율 페로브스카이트 태양전지를 만드는 방법에 대한 새로운 통찰력을 보여주고, 이러한 태양전지를 상용 시장에 출시하기 위해 노력하는 엔지니어들에게 새로운 방향을 제시합니다. 작업은 일지에 설명되어 있습니다. 자연 에너지 ("페로브스카이트 박막의 조정 가능한 표면장을 통한 재결합 감소"), 현재 MIT 스핀아웃 Optigon의 공동 창립자이자 최고 과학 책임자인 최근 MIT 박사후 연구원인 Dane deQuilettes와 MIT 교수 Vladimir Bulovic 및 Moungi Bawendi, 그리고 MIT와 워싱턴 주에 있는 10명의 다른 사람들이 작성한 논문에서 영국, 한국. Madeleine Laitz(왼쪽)와 Dane deQuilettes(왼쪽) MIT 연구진과 기타 여러 기관으로 구성된 팀은 페로브스카이트 장치의 나노 규모 구조를 엔지니어링하여 효율성을 최적화하고 성능 저하를 더 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 공개했습니다. 팀원으로는 Madeleine Laitz(왼쪽)와 수석 저자인 Dane deQuilettes가 있습니다. (사진: 연구진 제공) “10년 전, 태양광 기술의 급속한 발전을 위한 궁극적인 해결책이 무엇인지 묻는다면 실리콘만큼 잘 작동하지만 제조가 훨씬 간단한 것이 답이었을 것입니다. "라고 Bulovic은 말합니다. “그리고 우리가 알기도 전에 페로브스카이트 광전지 분야가 나타났습니다. 그것들은 실리콘만큼 효율적이었고, 종이에 그림을 그리는 것만큼 쉽게 칠할 수 있었습니다. 그 결과 현장에서 엄청난 흥분을 느꼈습니다.” 그럼에도 불구하고 "이전에는 해본 적이 없는 방식으로 이 물질을 취급하고 관리하는 데는 몇 가지 중요한 기술적 과제가 있습니다"라고 그는 말합니다. 하지만 그 가능성은 너무나 커서 전 세계 수백 명의 연구자들이 이 기술을 연구하고 있습니다. 새로운 연구에서는 매우 사소하지만 핵심적인 세부 사항, 즉 페로브스카이트가 더 이상 너무 빠르게 분해되거나 효율성을 잃지 않도록 물질의 표면을 "부동태화"하여 특성을 변경하는 방법을 살펴봅니다. "핵심은 페로브스카이트가 다른 물질과 만나는 곳인 인터페이스의 화학적 성질을 식별하는 것입니다."라고 Bulovic은 말합니다. 이는 장치를 통한 전류 흐름을 촉진하기 위해 페로브스카이트 옆에 다른 물질이 쌓여 있는 곳을 언급합니다. 엔지니어들은 예를 들어 얇은 부동태화 코팅을 생성하는 솔루션을 사용하여 부동태화 방법을 개발했습니다. 그러나 그들은 이 프로세스가 어떻게 작동하는지에 대한 자세한 이해가 부족했습니다. 이는 더 나은 코팅을 찾는 데 더 많은 진전을 이루는 데 필수적입니다. 새로운 연구에서는 "이러한 인터페이스를 부동태화하는 능력을 다루고 이 부동태화가 왜 그렇게 잘 작동하는지 뒤에 있는 물리학 및 과학을 설명했습니다"라고 Bulovic은 말했습니다. 연구팀은 전 세계 실험실에서 사용할 수 있는 가장 강력한 장비 중 일부를 사용하여 페로브스카이트 층과 다른 물질 사이의 경계면과 이들이 어떻게 발전하는지 전례 없는 세부 사항으로 관찰했습니다. 부동태화 코팅 공정과 그 효과에 대한 이러한 면밀한 조사를 통해 "페로브스카이트와 주변 물질의 경계면에서 에너지 정렬을 미세 조정하기 위해 할 수 있는 가장 명확한 로드맵"이 도출되어 전반적인 성능이 향상되었습니다. 말한다. 페로브스카이트 물질의 대부분은 완벽하게 정렬된 원자 결정 격자 형태이지만, 이 순서는 표면에서 분해됩니다. 여분의 원자가 튀어나오거나 원자가 누락된 빈 공간이 있을 수 있으며 이러한 결함으로 인해 재료의 효율성이 손실됩니다. 바로 여기서 패시베이션이 필요합니다. “이 논문은 본질적으로 표면에서 에너지가 손실되지 않도록 하기 위해 이러한 결함이 많이 있는 표면을 조정하는 방법에 대한 가이드북을 공개하고 있습니다.”라고 deQuilettes는 말합니다. “이것은 이 분야에서 정말 큰 발견입니다.”라고 그는 말합니다. "이것은 페로브스카이트의 표면 장을 체계적으로 제어하고 엔지니어링하는 방법을 보여주는 최초의 논문입니다." 일반적인 부동태화 방법은 헥실암모늄 브로마이드라는 염 용액에 표면을 담그는 것입니다. 이 기술은 이 논문의 공동 저자인 Jason Jungwan Yu PhD '20이 몇 년 전 MIT에서 개발한 기술입니다. 세계 기록적인 효율성. 이렇게 하면 결함이 있는 표면 위에 매우 얇은 층이 형성되고, 그 얇은 층은 실제로 많은 결함을 매우 잘 부동태화합니다.라고 deQuilettes는 말합니다. "그리고 소금의 일부인 브롬은 실제로 제어 가능한 방식으로 3차원 층에 침투합니다." 이러한 침투는 전자가 표면 결함으로 인해 에너지를 잃는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. 단일 처리 단계에서 생성되는 이 두 가지 효과는 두 가지 유익한 변화를 동시에 생성합니다. “보통 두 단계를 거쳐야 하기 때문에 정말 아름답습니다.”라고 deQuilettes는 말합니다. 패시베이션은 햇빛에 의해 전자가 떨어져 나간 후 표면에서 전자의 에너지 손실을 줄입니다. 이러한 손실은 햇빛을 전기로 변환하는 전반적인 효율성을 감소시키므로 손실을 줄이면 전지의 순 효율성이 향상됩니다. 이는 햇빛을 전기로 변환하는 물질의 효율성을 빠르게 향상시킬 수 있다고 그는 말합니다. deQuilettes에 따르면 단일 페로브스카이트 층에 대한 최근 효율성 기록은 약 24~26% 범위에 있으며 도달할 수 있는 최대 이론 효율은 약 30%라고 합니다. 몇 퍼센트의 증가는 별것 아닌 것처럼 들릴 수도 있지만 태양광 발전 산업에서는 이러한 개선이 매우 중요합니다. “실리콘 광전지 산업에서 효율성이 0.5% 향상된다면 이는 글로벌 시장에서 수억 달러의 가치가 있는 것입니다.”라고 그는 말합니다. 얇은 패시베이션 층을 추가하고 도핑 프로필을 변경하는 등 최근 실리콘 셀 설계의 변화는 약 0.5%의 효율성 이득을 제공합니다. 그 결과 "업계 전체가 변화하고 있으며 이를 달성하기 위해 빠르게 노력하고 있습니다." 실리콘 태양전지의 전반적인 효율은 지난 30년 동안 아주 작은 점진적인 개선만을 보였다고 그는 말합니다. 페로브스카이트의 기록적인 효율성은 대부분 작은 우표 크기의 재료 샘플을 사용하여 통제된 실험실 환경에서 설정되었습니다. “기록적인 효율성을 상업적 규모로 전환하는 데는 오랜 시간이 걸립니다.”라고 deQuilettes는 말합니다. "또 다른 큰 희망은 이러한 이해를 통해 사람들이 이러한 부동화 효과를 갖도록 넓은 영역을 더 잘 설계할 수 있다는 것입니다." 수백 가지 종류의 부동태화 염과 다양한 종류의 페로브스카이트가 있으므로 이 새로운 연구에서 제공하는 부동태화 과정에 대한 기본적인 이해는 연구자들이 더 나은 재료 조합을 찾는 데 도움이 될 수 있다고 연구진은 제안합니다. “재료를 가공할 수 있는 방법은 매우 다양합니다.”라고 그는 말합니다. Bulovic은 "우리는 상업적 응용 분야에서 페로브스카이트의 첫 번째 실제 시연을 눈앞에 두고 있다고 생각합니다."라고 말했습니다. "그리고 이러한 첫 번째 적용은 지금부터 몇 년 후에 우리가 할 수 있는 것과는 거리가 멀 것입니다." 그는 페로브스카이트가 “실리콘 광전지를 대체하는 것으로 보아서는 안 된다”고 덧붙였습니다. 이는 태양 에너지의 보다 신속한 배치를 가져오는 또 다른 방법인 증강으로 보아야 합니다.” “지난 2년 동안 페로브스카이트 태양전지를 개선하는 표면 처리 방법을 찾는 데 많은 진전이 있었습니다.”라고 이번 연구에 참여하지 않은 콜로라도 대학의 화학공학 교수인 Michael McGehee는 말했습니다. “많은 연구가 경험적이어서 개선의 메커니즘이 완전히 이해되지 않았습니다. 이 상세한 연구는 처리가 결함을 부동태화할 수 있을 뿐만 아니라 장치의 다른 면에서 수집되어야 하는 캐리어를 밀어내는 표면 장을 생성할 수도 있음을 보여줍니다.