23% 효율의 야외 가공 페로브스카이트 직렬 태양전지

30년 2023월 XNUMX일 (나노 워크 스포트라이트) 실리콘은 태양전지 재료의 확실한 챔피언이었으며, 이제 실험실 버전에서는 햇빛의 29% 이상을 전기로 변환할 수 있습니다. 하지만 메탈할라이드를 기반으로 한 신생 기술 페 로브 스카이 트 빠르게 따라잡고 있습니다. 지난 25년 동안 성능이 향상되면서 실험실에서 페로브스카이트 태양전지의 효율성이 23.07% 이상 향상되어 실리콘의 실제 한계에 가까워졌습니다. 이제 한국 전남대학교 연구진은 야외에서 완전히 처리된 XNUMX% 효율의 페로브스카이트-유기 하이브리드 탠덤 태양전지를 보고하여 이 기술을 경제적 실행 가능성에 한 걸음 더 다가섰습니다. 그들의 연구 결과는 에너지 및 환경 과학 ("23% 효율을 초과하는 공기 처리된 "nip" 모놀리식 페로브스카이트/유기 하이브리드 직렬 태양전지용 완전 무기 할로겐화물 페로브스카이트"). 2012년부터 납 할로겐화물 페로브스카이트는 태양광 연구 초기 이후 볼 수 없었던 놀라운 성능 향상을 달성하기 위해 무명 상태에서 등장했습니다. 그러나 신기술을 상용화하는 것은 여전히 어려운 목표로 남아 있다. 페로브스카이트는 열, 습기, 빛에 노출되면 빠르게 분해됩니다. 태양광 패널을 제조하려면 악명 높은 불안정한 화합물을 안정화해야 합니다. 연구자들은 탄력성을 높이기 위해 페로브스카이트 결정 구조 자체를 꼼꼼하게 엔지니어링하는 데 크게 의존해 왔습니다. 그러나 이러한 섬세한 처리 단계는 대량 생산에 적합하지 않은 비용과 복잡성을 추가합니다. “최근 에너지 소비가 낮은 제조 공정으로 인해 모든 솔루션 처리 태양전지로 초점이 옮겨졌습니다.”라고 첫 번째 저자인 Sawanta Mali 박사는 말했습니다. 팀의 혁신인 동적 열풍 증착 기술은 습도 제어 환경의 필요성을 제거하여 생산 공정을 단순화했습니다. Sawanta는 Nanowerk에 “우리의 접근 방식은 유기 양이온 패시베이션을 갖춘 용액 처리 흡수제가 VOC 손실을 현재까지 보고된 것 중 가장 낮은 0.025V까지 감소시킨다는 것을 보여줍니다.”라고 설명합니다. "우리는 이 공정에서 완전 공기 처리된 'ni-p' 전면 서브셀을 사용했으며, 이는 높은 재현성을 갖춘 상용화를 향한 단순화된 접근 방식으로 이어졌습니다."

일반적으로 원자층 증착(ALD) 및/또는 스퍼터링된 상호 연결층(ICL) 및 열적으로 증발된 C와 같은 복잡한 공정이 없는 모놀리식 2T 하이브리드 직렬 태양전지 장치를 위한 수정된 일반 "닙" 구성 설계60 다양한 스캔 모드에서 수정된 구성을 기반으로 한 챔피언 하이브리드 탠덤 태양전지의 ETL J-V 곡선. (확대하려면 이미지를 클릭하십시오. (연구원의 이미지 제공) Sawanta 박사와 동료들은 동적 열풍 증착이라고 불리는 기술을 사용하여 야외에서 전면의 넓은 밴드갭 페로브스카이트 태양 전지와 후면의 좁은 밴드갭 유기 태양 전지 층을 모두 제작했습니다. 그들은 문제가 있는 반용매 욕조를 피하기 위해 용액에서 직접 기판에 회전하는 금속 할로겐화물 염을 결정화하기 위해 열총을 사용했으며, 연구원들은 또한 효과적인 전하 수송을 위해 각 층 표면을 부동태화하기 위해 새로운 화학적 처리를 사용했습니다. 휘발성 유기 성분을 함유한 표준 납 하이브리드 페로브스카이트에 비해 내습성이 크게 향상되었습니다. 이러한 내습성 향상은 휘발성 유기 성분을 포함하고 안정성이 떨어지는 표준 납 하이브리드 페로브스카이트에 비해 상당한 발전을 의미합니다. 금속 루비듐 도핑으로 페로브스카이트 결정 구조가 더욱 안정화되었습니다. 또한, 수성 합성 및 상온 처리 방식을 통해 값비싼 전문 장비가 필요하지 않게 되었습니다. "전면 페로브스카이트 서브셀은 ~450nm 근처에서 최고점에 달하는 상대적으로 강력한 가시광 흡수체를 갖고 있으며 BHJ의 상대적으로 낮은 EQE의 결핍을 보상하는 전체 가시광선 범위에 걸쳐 매우 높은 EQE를 제공한다는 것은 잘 알려져 있습니다. ” Sawanta는 직렬형 태양전지 설계에 대해 언급합니다. 페로브스카이트 층은 더 높은 에너지의 가시광자를 포착하는 반면, 폴리머 벌크 이종접합 셀은 더 낮은 에너지의 적외선을 흡수합니다.

왼쪽부터 홍창국 교수, Sawanta S. Mali 박사, Jyoti V. Patil 박사가 완전 무기 기반 하이브리드 탠덤 태양전지를 보여주고 있다.

왼쪽부터 홍창국 교수, Sawanta S. Mali 박사, Jyoti V. Patil 박사가 대한민국 전남대학교 고분자 에너지 재료 연구소에서 제작한 완전 무기 기반 하이브리드 직렬 태양전지를 보여주고 있습니다. 비율은 23%를 넘었습니다. 능률. 오른쪽 위 삽입은 제작된 하이브리드 탠덤 태양전지 사진을 보여줍니다. (이미지: 박대운) 최적화된 장치는 1.87 eV 루비듐 도핑 세슘-납-할로겐화물 페로브스카이트 전면 셀과 23.07원 폴리머 후면 셀을 결합했습니다. 이 팬크로매틱 탠덤 아키텍처는 태양광을 전기로 변환하는 효율이 최대 2.11%에 도달했습니다. 1.14V의 개방 회로 전압은 상용 실리콘 셀의 일반적인 90V를 크게 초과합니다. 마찬가지로 중요한 것은 전지가 600시간 동안 지속적으로 시뮬레이션된 태양광 조사 후에 최고 성능의 50% 이상을 유지했다는 것입니다. 대조적으로, 부동태화되지 않은 페로브스카이트 대조 전지는 65시간 이내에 효율이 절반 이하로 떨어졌습니다. “우리는 또한 제어 장치가 실온보다 85°C 및 0.09°C 열 스트레스에서 더 안정적이라는 것을 발견했습니다. 이는 물 분자가 표면에서 탈착됨에 따라 상승된 온도에서 수분으로 인한 상 붕괴 경로가 감소하기 때문인 것 같습니다.”라고 Mali는 설명합니다. 습기 보호를 위한 추가 캡슐화로 작동 수명이 훨씬 더 길어졌습니다. 단순화된 주변 제작 방법도 XNUMXcm에서 변환되었습니다.2 실제 21.82cm에 대해 1% 이상의 효율성을 제공하는 실험실 규모2 셀 크기. "우리의 연구 결과는 'ni-p'를 사용하여 완전 무기 페로브스카이트 전면 서브셀과 29.1원 OPV 블렌드 기반 후면 서브셀에 대한 열기 방법을 구현하는 것이 실행 가능한 솔루션임을 시사합니다."라고 Mali는 결론을 내렸습니다. 팀은 추가 개발을 통해 직렬형 태양전지 아키텍처의 실제 효율 한계인 XNUMX%에 접근할 수 있다고 확신합니다. 주변 처리된 페로브스카이트-유기 탠덤 전지의 탁월한 효율성과 안정성은 광범위한 광전지 채택에 필요한 초저 제조 비용을 달성할 수 있는 기술을 궤도에 올려줍니다.

By

마이클
버거