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페로브스카이트 태양 전지

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목차

1. 개요

페로브스카이트 태양 전지는 2009년에 개발된 화합물 반도체 태양 전지의 일종으로, 염료 감응 태양 전지 구조를 기반으로 한다. 3세대 태양 전지로 분류되며, 낮은 생산 비용, 높은 효율, 얇고 유연한 특징을 가져 사물 인터넷 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 초기에는 낮은 효율과 안정성 문제가 있었으나, 지속적인 기술 개발을 통해 효율이 향상되었고, 현재는 25% 이상의 효율을 기록하며 상용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 페로브스카이트 태양 전지는 납을 포함하는 독성 문제와 안정성, 재활용 등의 과제를 안고 있으며, 납 대체, 캡슐화 기술 개발을 통해 문제 해결을 위한 노력이 이루어지고 있다. 2021년 폴란드에서 상업 생산이 시작되었으며, 건물 외벽 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 우주 공간에서의 높은 방사선 내성을 바탕으로 우주 사업에서의 활용 가능성 또한 높게 평가받고 있다.

2. 역사

페로브스카이트 태양 전지는 염료 감응 태양 전지 구조를 기반으로 하여 2009년 미야사카 츠토무(Tsutomu Miyasaka) 등이 처음으로 개발하였다.[224] 초기에는 3.8%의 낮은 전력 변환 효율(PCE)을 보였고, 부식성 액체 전해질을 사용하여 안정성에도 문제가 있었다.[224] 2011년에는 박남규 등이 동일한 염료 감응 개념을 개선하여 6.5% PCE를 달성하였다.[117]

2012년, 옥스퍼드 대학교의 마이크 리(Mike Lee)와 헨리 스나이스(Henry Snaith)는 고체 정공 수송체를 사용하면 페로브스카이트가 안정적이며, 메조다공성 TiO2 층이 필요하지 않다는 것을 발견했다.[118][119] 이들은 고체 정공 수송체를 사용한 '감응' TiO2 구조로 거의 10%의 효율을 달성했고, 불활성 지지체로 대체하여 10% 이상의 더 높은 효율을 얻었다.[120] 이후, 메조다공성 지지체가 없는 10% 효율의 박막 페로브스카이트 태양 전지가 개발되었다.[109][122][123]

2013년에는 평면 구조와 감응 구조 모두에서 여러 개발이 있었다. Burschka 등은 2단계 용액 공정을 통해 15% 이상의 효율을 달성하는 감응 구조의 증착 기술을 시연했다.[124] 올가 말린키에비츠(Olga Malinkiewicz) 등과 Liu 등은 열 공증착을 통해 평면 태양 전지를 제작하여, p-i-n 구조와 n-i-p 구조에서 각각 12% 이상 및 15% 효율을 달성할 수 있음을 보였다.[125][126][127] Docampo 등은 페로브스카이트 평면 필름 아래에 정공 수송체, 위에 전자 수집기가 있는 '역전' 구조로 페로브스카이트 태양 전지를 제작할 수 있음을 보였다.[128]

2014년 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스(UCLA)의 양양(Yang Yang)은 평면 박막 구조를 사용하여 19.3%의 역 스캔 효율을 달성했다.[129] 2014년 11월, 한국과학기술원(KRICT) 연구원들이 개발한 장치는 비안정화 효율 20.1%로 기록을 세웠다.[2]

2015년부터 매년 단일 접합 페로브스카이트 태양 전지 효율의 새로운 기록이 갱신되었으며, 한국과학기술원(KRICT)과 울산과학기술원(UNIST)이 가장 빈번하게 기록을 갱신했다.[2] 2021년 2월 25일, 한국화학연구원 서장원 화학소재연구본부 박사 연구팀은 25.2%의 태양 전지 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 개발하여 국제학술지 네이처에 표지논문으로 게재했다.

2016년, 부산대 화학교육학과 진성호 교수는 페로브스카이트 태양전지가 실리콘계, 박막형 태양전지와는 다른 제3의 태양전지이며, 높은 효율로 인해 차세대 태양전지 중 가장 각광받고 있다고 설명했다.

2020년 8월, 미국 에너지부(DOE)는 차세대 페로브스카이트 태양전지 연구개발에 2000만달러(약 217억원)를 지원한다고 발표했다.

2021년 9월, 도시바(東芝)는 필름형 페로브스카이트 태양 전지에서 독자적인 성막 기술을 개발하여, 필름형에서는 세계 최고 에너지 변환 효율 15.1%를 달성했다.

일본의 경제산업성은 페로브스카이트형을 차세대 태양 전지의 본명으로 위치시키고 있으며, 2030년까지 1 kWh 14엔 이하의 발전 비용을 달성하는 목표를 내걸고 있다.

2023년, 전력 변환 효율 기록은 33.2%로 갱신되었다.[242]

3. 분류

페로브스카이트 태양전지는 화합물 반도체 태양전지의 일종으로, 3세대 태양전지로 분류된다. 1세대 실리콘 태양전지는 태양 전지 효율이 25%이며, 2세대 유기박막 태양전지는 갈륨, 인듐을 사용하고 태양 전지 효율은 22.9%이다.

4. 장점

페로브스카이트 태양 전지는 저렴한 원자재를 사용하고 다양한 제조 방법으로 생산 가능하여 생산 비용이 낮다.[6] 높은 흡수 계수를 가져 약 500 nm의 얇은 막으로도 가시광선 스펙트럼 전체를 흡수할 수 있다.[7] 이러한 특징들 덕분에 저렴하고, 효율이 높으며, 얇고, 가볍고, 유연한 태양광 모듈을 만들 수 있다. 페로브스카이트 태양 전지는 저전력 무선 전자기기의 전력 공급원으로 사용되어 사물 인터넷 응용 분야에서 기후 변화 완화에 기여할 수 있다.[8][9]

또한, 페로브스카이트 전지는 태양 전지로 사용될 때 유리한 여러 광전기적 특성을 지닌다. 엑시톤 결합 에너지가 낮아 광자 흡수 시 전자 정공과 전자가 쉽게 분리된다. 전하 운반체의 긴 확산 거리와 높은 확산도는 전하 운반체가 페로브스카이트 태양 전지 내에서 먼 거리를 이동할 수 있게 하여 흡수 및 전력 변환 가능성을 높인다. 넓은 흡수 범위와 높은 흡수 계수는 흡수되는 광자 에너지 범위를 넓혀 태양 전지의 전력 효율을 향상시킨다.[10]

5. 재료



페로브스카이트 태양 전지는 ABX3 결정 구조를 갖는 페로브스카이트 구조의 재료를 기반으로 한다. 여기서 A와 B는 양이온이고 X는 음이온이다. 반경이 1.60 Å과 2.50 Å 사이인 양이온은 페로브스카이트 구조를 형성한다. 가장 일반적으로 연구되는 페로브스카이트 흡수체는 메틸암모늄 납 트라이할라이드(CH3NH3PbX3, 여기서 X는 아이오딘, 브로민, 염소와 같은 할로겐 이온)이며, 할라이드 함량에 따라 ~1.55 ~ 2.3 eV 사이의 광학적 밴드갭을 가진다. 포름아미디늄 납 트라이할라이드(H2NCHNH2PbX3) 또한 1.48 ~ 2.2 eV 사이의 밴드갭을 가져, 단일 접합 전지에 최적화되어 더 높은 효율을 낼 수 있다.



페로브스카이트 재료의 구성 요소로 납을 포함하는 것에 대한 우려가 존재한다. CH3NH3SnI3와 같은 주석 기반 페로브스카이트 흡수체로 구성된 태양 전지도 보고되었지만, 전력 변환 효율은 더 낮다.

유기 키랄 리간드를 활용하는 것은 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지의 최대 전력 변환 효율을 높이는 데 유망하며, 이를 올바르게 사용해야 한다.[20] 비키랄 브롬화납 페로브스카이트 나노판에 키랄 페닐에틸아민 리간드를 부착하여 키랄 무기-유기 페로브스카이트가 형성된다.[20] 원편광 이색성(CD) 분광법을 통해 무기-유기 페로브스카이트를 검사하면 두 영역이 나타난다. 하나는 리간드와 나노판 사이의 전하 이동을 나타내고 (300-350 nm), 다른 하나는 페로브스카이트의 엑시톤 흡수 최대값을 나타낸다.[20]

최고 성능의 페로브스카이트 태양 전지는 화학적 불안정성을 겪고 있다.[21] 메틸암모늄 또는 포름아미디늄과 같은 유기 성분이 약점의 근본이다.[21] 완전 무기 페로브스카이트는 이러한 문제를 최소화할 수 있으며, 17% 이상의 PCE를 갖는다.[21] CsPbI3를 사용한 고성능 완전 무기 페로브스카이트 셀은 고성능 OIHPs(~1.7 eV)와 유사한 밴드갭과 뛰어난 광전기적 특성을 가지고 있다.[21] 하지만, 광활성 흑색 α-상은 비활성 황색 δ-상으로 변환되기 쉬워 성능을 저해하며, 실온에서 합성하기 어렵다.[21][22] 이러한 문제는 팔면체 앵커링 및 이차 결정 성장과 같은 다양한 전략으로 해결되었다.[23][24]

2D 페로브스카이트는 3D 페로브스카이트에 비해 향상된 안정성과 엑시톤 가둠 특성을 갖는 동시에 3D 페로브스카이트 재료의 전하 수송 특성을 유지한다.[29] 또한, 2D 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트(HOIP) 구조는 3D HOIPs에서 골드슈미트 톨러런스 팩터에 의해 설명된 "B" 양이온에 대한 입체적 제한을 완화하여 맞춤형 특성을 가진 새로운 재료를 설계할 수 있는 더 넓은 조성 공간을 제공한다.[29]

6. 효율

태양전지의 발전효율은 쇼클리-퀴저 한계에 의해 제한된다. 이 한계는 P-n 접합을 사용하는 태양 전지에서 방사 재결합 외에 다른 손실이 없을 때의 최대 이론적 효율을 나타낸다. AM1.5G 전 세계 태양 스펙트럼을 기반으로 최대 전력 변환 효율은 각 밴드갭과 상관 관계가 있으며 포물선 관계를 형성한다.[246]

가장 효율적인 밴드갭은 1.34 eV에서 발견되며 최대 전력 변환 효율(PCE)은 33.7%이다. 이 이상적인 밴드갭 에너지를 달성하는 것은 어려울 수 있지만, 튜닝 가능한 페로브스카이트 태양 전지를 활용하면 이 값에 맞출 수 있는 유연성을 제공한다. 다중 접합 태양 전지를 사용하여 더 넓은 파장 범위의 광자를 흡수하고 변환할 수 있도록 쇼클리-퀴저 한계를 초과하여 열화 손실을 증가시키지 않도록 확장할 수 있다.

포름아미디늄 (FA) 납 트라이할라이드의 실제 밴드 갭은 최대 전력 변환 효율 단일 접합 태양 전지에 대한 이상적인 밴드갭 에너지인 1.34 eV에 더 가까운 1.48 eV까지 조정할 수 있으며, 이는 쇼클리-퀴저 한계에 의해 예측된다. 1.3 eV 밴드갭 에너지는 튜닝 가능한 밴드갭 에너지(Eg)가 1.24 – 1.41 eV인 하이브리드 셀로 성공적으로 달성되었다.[17]

다중 접합 태양 전지는 더 높은 전력 변환 효율(PCE)을 낼 수 있으며, 이는 단일 접합 셀의 쇼클리-퀘이저 한계에 의해 설정된 열역학적 최대값을 넘어선다. 단일 셀에 여러 개의 밴드갭을 가짐으로써, 단일 접합 셀의 밴드갭 에너지보다 높거나 낮은 광자의 손실을 막을 수 있다.[18] 탠덤(이중) 접합 태양 전지의 경우 31.1%의 PCE가 기록되었으며, 삼중 접합의 경우 37.9%, 사중 접합 태양 전지의 경우 38.8%까지 증가했다. 그러나, 하나 이상의 접합을 가진 격자 정합 및 결정질 태양 전지를 합성하는 데 필요한 금속 유기 화학 기상 증착 (MOCVD) 공정은 매우 비싸서 널리 사용하기에는 이상적이지 않다.

페로브스카이트 반도체는 다중 접합 태양 전지의 효율과 경쟁할 가능성이 있지만, 훨씬 저렴한 비용으로 더 일반적인 조건에서 합성할 수 있는 옵션을 제공한다. 위에 언급된 이중, 삼중 및 사중 접합 태양 전지와 경쟁하는 것은 최대 PCE 31.9%의 올-페로브스카이트 탠덤 셀, 33.1%에 도달하는 올-페로브스카이트 삼중 접합 셀, 그리고 35.3%의 효율에 도달하는 페로브스카이트-Si 삼중 접합 셀이다. 이러한 다중 접합 페로브스카이트 태양 전지는 비용 효율적인 합성이 가능할 뿐만 아니라 다양한 기상 극한 조건에서도 높은 PCE를 유지하여 전 세계적으로 활용할 수 있다.[19]

페로브스카이트 태양 전지의 밴드갭은 조절이 가능하며, 필름 내 할로겐 화합물의 함량을 변경하여 (예: I와 Br 혼합) 태양 스펙트럼에 맞게 최적화할 수 있다. 쇼클리-퀴저 한계 복사 효율 한계는 상세 균형 한계라고도 하며,[229][97] 페로브스카이트 밴드갭이 1.55 eV일 때 AM1.5G 태양 스펙트럼에서 1000 W/m2 조건에서 약 31%이다.[98] 이는 밴드갭이 1.42 eV인 갈륨 비소의 복사 한계인 33%보다 약간 작다.

상세 균형 한계 값은 표 형태로 제공되며,[98] 상세 균형 모델을 구현하기 위한 MATLAB 프로그램이 작성되었다.[97]

한편, 드리프트-확산 모델은 페로브스카이트 태양 전지의 효율 한계를 성공적으로 예측하여 장치 물리학, 특히 복사 재결합 한계 및 장치 성능에 대한 선택적 접점을 심층적으로 이해할 수 있게 해준다.[99] 페로브스카이트 효율 한계를 예측하고 접근하기 위한 두 가지 전제 조건이 있다. 첫째, 쇼클리-퀴저 한계에서 개방 회로 전압에 상당한 영향을 미치는 광학 설계를 채택한 후 고유 복사 재결합을 수정해야 한다. 둘째, 전극에서 전하 축적 및 표면 재결합을 제거하기 위해 전극의 접촉 특성을 신중하게 설계해야 한다. 이 두 가지 절차를 통해 드리프트-확산 모델로 페로브스카이트 태양 전지의 효율 한계를 정확하게 예측하고 효율 저하를 정밀하게 평가할 수 있다.[99]

상세 균형 분석 및 드리프트-확산 계산과 함께, 다양한 페로브스카이트 재료의 특성을 수치적으로 찾기 위한 많은 제1원리 연구가 이루어졌다. 여기에는 밴드갭, 유효 질량, 다양한 페로브스카이트 재료의 결함 수준 등이 포함되지만 이에 국한되지 않는다.[100][101][102][103] 또한, Agrawal ''et al.''[104]이 모델링 프레임워크를 제안하고,[105] 거의 이상적인 효율에 대한 분석을 제시하며,[106] 페로브스카이트와 홀/전자 수송층의 인터페이스의 중요성에 대해 언급하는 시뮬레이션을 기반으로 장치 메커니즘에 대한 연구도 이루어졌다.

또한, 페로브스카이트 태양 전지의 전류 밀도-전압 특성을 설명하기 위해 회로 모델이 개발되었다. Sun ''et al.''[107]은 실험적 수송 데이터를 기반으로 페로브스카이트의 다양한 구조에 대한 소형 모델을 제시하고자 한다. Minshen Lin ''et al.''은 페로브스카이트 태양 전지의 효율 손실을 정량화하기 위해 수정된 다이오드 모델을 제안했다.[108]

실리콘(Si) 또는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄(CIGS)과 같은 하부 셀과 결합된 페로브스카이트 전지는 개별 셀의 병목 현상을 억제하고 상호 보완적인 특성을 활용하여 효율을 향상시킬 수 있도록 탠덤 설계를 할 수 있다.[182] 이러한 유형의 전지는 더 높은 효율 잠재력을 가지고 있어 학계 연구자들의 관심을 받아왔다.[183][184][185]

2019년, 태양 전지 효율의 세계 기록은 다중 접합 집광형 태양 전지를 사용하여 달성한 47.1%이며, 미국 콜로라도주 골든의 미국 국립재생에너지연구소가 개발한 것이다.[246]

2020년 4월 14일 국제학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에는 미국 재생에너지연구소(NREL)의 새로운 태양전지 개발 연구성과가 실렸다. 연구진이 개발한 태양전지는 집중 조명(143배 집광) 조건에서 47.1%의 효율을, 일반 조명 조건에서 39.2%의 효율을 기록했다. 이는 지금까지 보고된 여러 태양전지 중 가장 높은 기록이다.

'''효율 향상 연구'''

2009년에 도인요코하마대학교의 코지마 하루히로와 미야사카 치카라 교수 등이 할로겐화 납계 페로브스카이트를 이용한 태양 전지를 발명했다.[235][236] 초기에는 을 사용한 태양 전지의 에너지 변환 효율이 3.9%에 불과했지만,[237] 이후 효율이 급속히 높아져 저비용 제조 가능성과 함께 상용 태양 전지로서 주목받고 있다.[238] 2011년에는 성균관대학교의 박남규가 전고체화에 성공했고, 2012년에는 옥스퍼드 대학교의 :en:Henry Snaith가 10%의 효율을 달성했다.

할로겐계 유기-무기 페로브스카이트 반도체 ()는 2009년에 처음으로 태양 전지 재료로 보고되었으며, 인쇄 기술로 제조할 수 있어 저가격화가 기대된다.[239] 2017년 10월 5일 이화학연구소는 슈퍼컴 '케이'를 이용한 재료 스크리닝으로 납을 사용하지 않는 51개의 저독성 원소로 구성된 페로브스카이트 태양 전지 후보 화합물을 발견하여 환경 저부담 연구도 진행 중이다.[240]

2021년 9월, 도시바(東芝)는 필름형 페로브스카이트 태양 전지에서 독자적인 성막 기술을 개발하여 필름형으로는 세계 최고 에너지 변환 효율 15.1%를 달성했다. 이는 실리콘형 태양 전지 수준의 변환 효율이며, 2025년까지 변환 효율 20% 이상, 수광부 면적 9제곱미터의 실용화를 목표로 개발 중이며, 발전 비용은 1 kWh 20엔 이하를 목표로 한다. 도시바의 필름형 페로브스카이트 태양 전지는 요오드화 납과 요오드화 메틸 암모늄을 섞은 독자적인 잉크와 제조 장치를 사용하여 균일한 막을 형성하며, 잉크 도포 속도는 분당 6m를 확보했다. 이 연구는 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁 사업으로 진행되었다.

일본 경제산업성은 페로브스카이트형을 차세대 태양 전지의 본명으로 지정하고, 2030년까지 1 kWh 14엔 이하의 발전 비용 달성을 목표로 하고 있다. 총액 2조 엔의 그린 이노베이션 기금 사업에서 최대 498억 엔을 투입할 예정이다.

세계에서 개발 중인 페로브스카이트형 태양 전지는 경량이고 유연성이 있어, 오피스 빌딩의 벽이나 곡면 등 기존 설치가 어려웠던 곳에도 사용 가능하다.[241] 2023년, 전력 변환 효율 기록은 33.2%로 갱신되었다.[242]

6. 1. 효율 향상 연구

2009년에 도인요코하마대학교의 코지마 하루히로와 미야사카 치카라 교수 등이 할로겐화 납계 페로브스카이트를 이용한 태양 전지를 발명했다.[235][236] 초기에는 을 사용한 태양 전지의 에너지 변환 효율이 3.9%에 불과했지만,[237] 이후 효율이 급속히 높아져 저비용 제조 가능성과 함께 상용 태양 전지로서 주목받고 있다.[238] 2011년에는 성균관대학교의 박남규가 전고체화에 성공했고, 2012년에는 옥스퍼드 대학교의 :en:Henry Snaith가 10%의 효율을 달성했다.

할로겐계 유기-무기 페로브스카이트 반도체 ()는 2009년에 처음으로 태양 전지 재료로 보고되었으며, 인쇄 기술로 제조할 수 있어 저가격화가 기대된다.[239] 2017년 10월 5일 이화학연구소는 슈퍼컴 '케이'를 이용한 재료 스크리닝으로 납을 사용하지 않는 51개의 저독성 원소로 구성된 페로브스카이트 태양 전지 후보 화합물을 발견하여 환경 저부담 연구도 진행 중이다.[240]

2021년 9월, 도시바(東芝)는 필름형 페로브스카이트 태양 전지에서 독자적인 성막 기술을 개발하여 필름형으로는 세계 최고 에너지 변환 효율 15.1%를 달성했다. 이는 실리콘형 태양 전지 수준의 변환 효율이며, 2025년까지 변환 효율 20% 이상, 수광부 면적 9제곱미터의 실용화를 목표로 개발 중이며, 발전 비용은 1 kWh 20엔 이하를 목표로 한다. 도시바의 필름형 페로브스카이트 태양 전지는 요오드화 납과 요오드화 메틸 암모늄을 섞은 독자적인 잉크와 제조 장치를 사용하여 균일한 막을 형성하며, 잉크 도포 속도는 분당 6m를 확보했다. 이 연구는 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁 사업으로 진행되었다.

일본 경제산업성은 페로브스카이트형을 차세대 태양 전지의 본명으로 지정하고, 2030년까지 1 kWh 14엔 이하의 발전 비용 달성을 목표로 하고 있다. 총액 2조 엔의 그린 이노베이션 기금 사업에서 최대 498억 엔을 투입할 예정이다.

세계에서 개발 중인 페로브스카이트형 태양 전지는 경량이고 유연성이 있어, 오피스 빌딩의 벽이나 곡면 등 기존 설치가 어려웠던 곳에도 사용 가능하다.[241] 2023년, 전력 변환 효율 기록은 33.2%로 갱신되었다.[242]

7. 구조

HOIP는 3차원 구조와 동일한 ABX3 화학 양론을 따른다. B는 금속 양이온, X는 할로겐 음이온(Cl−, Br−, I−)이며, A는 유기 분자 양이온을 나타낸다. A 부위 양이온은 암모늄 그룹과 팔면체에서 할로겐 사이의 N-H-X 수소 결합을 통해 BX6 모서리 공유 팔면체 네트워크에 갇힌다.[25] 유기층과 무기층은 반 데르 발스 힘에 의해 결합된다. R2An−1BnX3n+1 공식은 2D 및 준 2D 구조를 특징짓는 데 사용되며, R은 무기층을 분리하는 큰 유기 양이온 공간, "n"은 무기층 사이의 유기 단위 수를 나타낸다.[25]

나노압입은 2차원 재료의 기계적 특성 측정에 사용되는 일반적인 기술이다. 나노압입 결과는 2차원 HOIP에서 다른 평면 방향(100, 001 및 110)에 따라 영률의 이방성을 나타낸다.[26] 가장 강한 방향은 무기층에 수직인 [100] 방향이며, 일반적으로 Pb-X(매우 일반적인 양이온) 결합 강도가 증가하면 영률이 증가한다.[27] A 이온을 유기 CH3NH3+에서 무기 Cs+로 변경하는 것은 영률에 미미한 영향을 미치는 반면, Pb-X 강도가 지배적인 영향을 미친다.[28]

2차원 HOIP는 음의 푸아송비 현상에 취약하며, 전기 음성도가 약한 할로겐은 "B" 양이온과 약한 결합을 형성하여 (크기 면에서) 음의 푸아송비를 증가시킨다.[30][26]

페로브스카이트 흡수체로 코팅된 메조기공 TiO2 층으로 구성된 활성층을 갖는 감광 페로브스카이트 태양 전지의 개략도. 활성층은 전자 추출을 위한 n형 재료와 정공 추출을 위한 p형 재료와 접촉합니다. b) 박막 페로브스카이트 태양 전지의 개략도. 이 구조에서는 평평한 페로브스카이트 층이 두 개의 선택적 접촉 사이에 끼워져 있습니다. c) 감광 구조에서 전하 생성 및 추출. 페로브스카이트 흡수체에서 빛을 흡수한 후, 광 생성 전자는 메조기공 TiO2로 주입되어 추출됩니다. 동시에 생성된 정공은 p형 재료로 전달됩니다. d) 박막 구조에서 전하 생성 및 추출. 빛을 흡수한 후, 전하 생성 및 추출 모두 페로브스카이트 층에서 발생합니다.


페로브스카이트 태양 전지는 장치에서 페로브스카이트 재료의 역할이나 상단 및 하단 전극의 특성에 따라 다른 여러 구조에서 효율적으로 작동한다. 염료 감응 태양 전지의 감광과 유사하게, 페로브스카이트 재료는 전하를 전도하는 메조기공 스캐폴드(가장 일반적으로 TiO2)에 빛 흡수체로 코팅된다. 광 생성된 전자는 페로브스카이트 층에서 메조기공 감광층으로 전달되어 전극으로 수송되어 회로로 추출된다. 박막 태양 전지 구조는 페로브스카이트 재료가 고효율, 양극성 전하 전도체로 작용할 수 있다는 발견에 기반을 두고 있다.[92]

빛을 흡수하고 그 후 전하가 생성된 후, 음전하 및 양전하 캐리어 모두 페로브스카이트를 통해 전하 선택적 접촉부로 수송된다. 페로브스카이트 태양 전지는 염료 감응 태양 전지 분야에서 등장하여 감광 구조가 초기에 사용되었지만, 시간이 지남에 따라 박막 구조에서 잘 작동하며 궁극적으로 더 나은 성능을 보인다는 것이 분명해졌다.[109]

8. 제조 공정

페로브스카이트 태양 전지(PSC)의 상용화를 위해서는 대면적, 고효율, 안정적인 생산 기술 확보가 중요하다. 확장성은 페로브스카이트 흡수층뿐만 아니라 전하 수송층과 전극의 확대를 포함하는 중요한 요소이다.[51][52] 용액 공정과 증착 공정 모두 확장성 측면에서 가능성을 가지며, 공정 비용과 복잡성은 실리콘 태양 전지에 비해 현저히 낮다. 증착 또는 증기 보조 기술은 용매 잔류 위험을 줄일 수 있으며, 용액 공정은 더 저렴하다.

올가 말린키에비츠는 재료 연구 학회(MRS) 가을 회의에서 페로브스카이트 시트의 잉크젯 인쇄 제조 공정을 발표하여 MIT 테크놀로지 리뷰의 35세 미만 혁신가 상을 수상했다.[51] 토론토 대학교는 페로브스카이트 원료를 나노솔라(Nanosolar) '잉크'로 혼합하여 잉크젯 프린터로 유리, 플라스틱 또는 기타 기판(substrate (printing)) 재료에 적용할 수 있는 저비용 잉크젯 태양 전지를 개발했다.[52]

고효율을 유지하면서 페로브스카이트 층을 확대하기 위해, 페로브스카이트 필름을 더 균일하게 코팅하기 위한 다양한 기술들이 개발되었다. 빠른 용매 제거를 통해 과포화를 촉진하는 물리적 방법(가열,[53] 가스 흐름,[54] 진공,[55] 반용매[44])과 화학 첨가제(염화물 첨가제,[56] 루이스 염기 첨가제,[57] 계면활성제 첨가제,[230] 표면 개질[58])를 활용하여 결정 성장에 영향을 주어 필름 형태를 제어한다. 특히, L-α-포스파티딜콜린(LP)과 같은 계면활성제 첨가제는 용액 흐름을 억제하고 표면 습윤성을 개선하며, 전하 트랩을 패시베이션하여 장치 성능을 향상시킨다.[230]

n-i-p PSC의 일반적인 전자 수송층(ETL)인 TiO2, SnO2 및 ZnO 층 증착을 위해 원자층 증착,[59] 분자층 증착,[60] 열수 반응,[61] 전기 증착[62]과 같은 저온 기술이 개발되었다. 정공 수송층(HTL)의 경우, PEDOT:PSS 대신 NiOx가 대안으로 사용되며, 상온 용액 공정을 통해 증착할 수 있다.[63] CuSCN과 NiO[64]는 스프레이 코팅,[65] 블레이드 코팅,[66] 전기 증착[67]으로 증착할 수 있는 대체 HTL 물질이다. HTL이 없는 PSC를 만들기 위한 확장 가능한 블레이딩을 위한 분자 도핑 방법도 보고되었다.[68]

후면 전극 증착은 성숙하고 확장 가능하지만 진공이 필요하다. 완전 용액 공정성을 위해서는 진공이 필요 없는 후면 전극 증착이 중요하며, 은 전극은 스크린 인쇄,[69] 은 나노와이어 네트워크는 스프레이 코팅이 가능하다.[70] 탄소, 흑연,[71] 탄소 나노튜브,[72] 그래핀[73]도 확장 가능한 PSC 전극의 잠재적 후보이다.

8. 1. 확장성

페로브스카이트 태양 전지(PSC)의 상용화를 위해서는 대면적, 고효율, 안정적인 생산 기술 확보가 중요하다. 확장성은 페로브스카이트 흡수층뿐만 아니라 전하 수송층과 전극의 확대를 포함하는 중요한 요소이다.[51][52] 용액 공정과 증착 공정 모두 확장성 측면에서 가능성을 가지며, 공정 비용과 복잡성은 실리콘 태양 전지에 비해 현저히 낮다. 증착 또는 증기 보조 기술은 용매 잔류 위험을 줄일 수 있으며, 용액 공정은 더 저렴하다.

올가 말린키에비츠는 재료 연구 학회(MRS) 가을 회의에서 페로브스카이트 시트의 잉크젯 인쇄 제조 공정을 발표하여 MIT 테크놀로지 리뷰의 35세 미만 혁신가 상을 수상했다.[51] 토론토 대학교는 페로브스카이트 원료를 나노솔라(Nanosolar) '잉크'로 혼합하여 잉크젯 프린터로 유리, 플라스틱 또는 기타 기판(substrate (printing)) 재료에 적용할 수 있는 저비용 잉크젯 태양 전지를 개발했다.[52]

고효율을 유지하면서 페로브스카이트 층을 확대하기 위해, 페로브스카이트 필름을 더 균일하게 코팅하기 위한 다양한 기술들이 개발되었다. 빠른 용매 제거를 통해 과포화를 촉진하는 물리적 방법(가열,[53] 가스 흐름,[54] 진공,[55] 반용매[44])과 화학 첨가제(염화물 첨가제,[56] 루이스 염기 첨가제,[57] 계면활성제 첨가제,[230] 표면 개질[58])를 활용하여 결정 성장에 영향을 주어 필름 형태를 제어한다. 특히, L-α-포스파티딜콜린(LP)과 같은 계면활성제 첨가제는 용액 흐름을 억제하고 표면 습윤성을 개선하며, 전하 트랩을 패시베이션하여 장치 성능을 향상시킨다.[230]

n-i-p PSC의 일반적인 전자 수송층(ETL)인 TiO2, SnO2 및 ZnO 층 증착을 위해 원자층 증착,[59] 분자층 증착,[60] 열수 반응,[61] 전기 증착[62]과 같은 저온 기술이 개발되었다. 정공 수송층(HTL)의 경우, PEDOT:PSS 대신 NiOx가 대안으로 사용되며, 상온 용액 공정을 통해 증착할 수 있다.[63] CuSCN과 NiO[64]는 스프레이 코팅,[65] 블레이드 코팅,[66] 전기 증착[67]으로 증착할 수 있는 대체 HTL 물질이다. HTL이 없는 PSC를 만들기 위한 확장 가능한 블레이딩을 위한 분자 도핑 방법도 보고되었다.[68]

후면 전극 증착은 성숙하고 확장 가능하지만 진공이 필요하다. 완전 용액 공정성을 위해서는 진공이 필요 없는 후면 전극 증착이 중요하며, 은 전극은 스크린 인쇄,[69] 은 나노와이어 네트워크는 스프레이 코팅이 가능하다.[70] 탄소, 흑연,[71] 탄소 나노튜브,[72] 그래핀[73]도 확장 가능한 PSC 전극의 잠재적 후보이다.

9. 안정성

페로브스카이트 태양 전지(PSC)는 습기, 산소, 열, 자외선, 기계적 응력 등에 취약하여 장기 안정성 확보가 중요한 과제이다.[131][132][133][139][140] 기존 실리콘 웨이퍼 태양 전지의 수명이 20~25년인 것에 비해, PSC는 그만큼 오래 지속되는 데 큰 어려움을 겪고 있다.[131]

PSC의 불안정성은 주로 환경적 영향(습기 및 산소),[132][133] 열 응력,[134][135][136] 메틸암모늄 기반 페로브스카이트 및 포름아미디늄 기반 페로브스카이트의 고유한 불안정성,[137] 가해진 전압 하에서의 가열,[138] 광(자외선[139] 및 가시광선[135])의 영향, 그리고 기계적 취약성[140]과 관련이 있다.

흡수재의 유기 성분은 물에 용해되어 습한 환경에서 장치가 빠르게 열화될 수 있다.[144] 습기로 인한 열화를 줄이기 위해 구성 물질, 셀 구조, 계면 및 제작 환경 조건을 최적화해야 한다.[139] 탄소 나노튜브와 불활성 고분자 매트릭스의 복합체로 페로브스카이트 흡수체를 캡슐화하면 고온 다습한 환경에서 재료의 즉각적인 열화를 방지할 수 있지만,[144][145] 장기적인 연구와 포괄적인 캡슐화 기술은 아직 부족하다. 메조다공성 TiO2 층이 있는 장치는 TiO2 내부의 광생성된 정공과 TiO2 표면의 산소 라디칼 사이의 상호 작용으로 인해 자외선에 불안정하다.[146]

CH3NH3PbI3의 매우 낮은 열 전도율(0.5 W/(Km))은 빛에 의해 축적된 열의 빠른 전파를 막아 셀의 수명을 단축시킬 수 있는 열 응력에 대한 저항성을 유지할 수 있게 한다.[147] 페로브스카이트 필름의 PbI2 잔류물은 장치의 장기 안정성에 부정적인 영향을 미친다.[48] 유기 수송층을 금속 산화물층으로 대체하면 60일 후 90%의 용량을 유지할 수 있다고 보고되었다.[148][149]

2015년에는 가장 큰 페로브스카이트 태양 전지가 손톱 크기였고 습한 환경에서 빠르게 열화되었다는 문제가 있었다.[151] 그러나 EPFL 연구진은 2017년에 1년 이상 열화가 관찰되지 않은 대규모 페로브스카이트 태양 모듈을 시연했다.[152]

2019년 초, 보고된 가장 긴 안정성 테스트에서는 UV 광 필터링 없이 최대 전력점 추적 (MPPT)에서 제논 램프 기반 태양광 시뮬레이터로 4000시간 이상 지속적인 작동 동안 꾸준한 전력 출력을 보여주었다. 이 테스트에서는 메틸암모늄(MA) 기반 페로브스카이트 (MAPbI3)가 사용되었지만, 유기 기반 선택적 층이나 금속 후면 접촉 없이 구성되었다. 캡슐화된 장치에서 작동 안정성 손실의 주요 요인은 열 응력뿐이었다.[154]

페로브스카이트 재료의 취약성 때문에 기계적 응력으로부터 보호하기 위한 외부 보강이 필요하며, 기계적 보강 스캐폴드를 삽입하면 파괴 저항이 30배 증가한다.[155]

Al2O3/NiO 계면층 도입은 결정립 크기가 큰 페로브스카이트 필름의 결정 품질을 향상시키고 전하 수송을 증진시키지만, 이온 이동 및 페로브스카이트 결정의 불안정성 문제가 있다.[159][160] 이를 해결하기 위해 활성층에 페로브스카이트/Ag-rGO 복합체를 사용하면 안정성과 성능을 동시에 향상시킬 수 있다.[161]

국제전기기술위원회(IEC)의 기존 안정성 테스트는 실리콘 웨이퍼 기반 태양광 패널만을 대상으로 설계되어 페로브스카이트 태양 전지에는 부적합하다. 유기 PV 안정성 국제 정상 회담(ISOS)에서 새로운 안정성 검사가 만들어졌지만, IEC에서 채택되지 않았다.[158]

10. 독성 문제

페로브스카이트 태양 전지의 납 함량과 관련된 독성 문제는 이 기술에 대한 대중의 인식과 수용을 저해한다.[74] 유해 중금속의 건강 및 환경 영향은 1990년대에 효율성이 산업적으로 중요해진 CdTe 태양 전지의 경우에 많이 논의되었다. CdTe는 낮은 용해도곱(''K''sp, 10−34)을 갖는 열적 및 화학적으로 매우 안정적인 화합물이며, 이에 따라 독성이 극도로 낮다는 것이 밝혀졌지만, 엄격한 산업 위생 프로그램[75]과 재활용 약속 프로그램[76]이 시행되어 왔다. CdTe와 달리 하이브리드 페로브스카이트는 매우 불안정하며, ''K''SP=4.4×10−9의 납 또는 주석의 비교적 용해성 화합물로 쉽게 분해되어 잠재적인 생체 이용률[77]을 상당히 증가시키고 인체 건강에 위험을 초래하며, 이는 최근의 독성학 연구[78][79]에 의해 확인되었다. 납의 50% 치사량 [LD50(Pb)]은 체중 1kg당 5mg 미만이지만, 훨씬 낮은 노출 수준에서도 건강 문제가 발생한다. 어린이는 성인보다 4~5배나 많은 납을 흡수하며, 납의 유해한 영향에 가장 취약하다.[80] 2003년, 세계 보건 기구는 최대 혈중 납 농도 (BLL)를 5 μg/dL로 규정했는데,[80] 이는 페로브스카이트 태양 전지 모듈 25 mm2에 포함된 납의 양에 해당한다. 또한, 5 μg/dL의 BLL은 더 낮은 값에 노출된 어린이에게서 지능 저하 및 행동 장애가 발견된 후 2010년에 폐지되었다.[81]

최근, 홍 장 등은 독성 납 폐기물 생산, 페로브스카이트 재료 사용량 및 제조 비용을 70% 줄이는 보편적인 공용매 희석 전략을 보고했으며, 이는 실험실 전지 및 모듈에서 각각 24% 및 18.45% 이상의 광전 변환 효율(PCE)을 제공한다.[82] 공용매 희석 전략[82]은 매우 낮은 농도의 전구체 용액으로 고품질의 페로브스카이트 필름을 얻기 위해 보고되었다. 이 전략은 페로브스카이트 전구체 잉크에 사용되는 값비싼 원료의 양을 실질적으로 줄이고, 두 가지 주요 경로를 통해 스핀 코팅으로 인한 유해 폐기물 발생을 줄인다. 즉, 페로브스카이트 필름 가공 중 전구체 손실을 최소화하고, 전구체 콜로이드의 응집을 억제하여 잉크의 수명과 보관 수명을 향상시키는 것이다. 0.5 M만큼 낮은 수준으로 공용매 희석을 통해 실험실 PSC의 PCE가 24% 이상을 달성할 수 있다. 또한, 공용매 희석 전략의 확장성은 산업용 스핀 코팅을 사용하여 다양한 크기의 페로브스카이트 태양 전지 모듈(PSM)을 제작하여 테스트했다. 공용매 희석 전략으로 제작된 모듈은 기존의 페로브스카이트 잉크로 제작된 모듈보다 더 높은 PCE와 훨씬 더 나은 균일성 및 재현성을 보였으며, 전구체의 일부만 사용했다. 중요하게도, 산업용 스핀 코팅으로 기존 잉크를 사용하여 제작한 동일한 모듈과 비교했을 때, 모듈 제작에 사용되는 유해 폐기물/용매, 페로브스카이트 원료 및 제작 비용의 70% 이상을 줄일 수 있을 것으로 예상되며, 이를 통해 스핀 코팅을 독립형 모듈 또는 Si 웨이퍼 규모 통합과 같은 중규모 제조를 위한 지속 가능한 기술로 만들 수 있다. 이 연구는 보다 친환경적인 공용매를 신중하게 선택함으로써, PSC의 제작을 단순화하고 비용을 절감하면서 유해 용매 및 페로브스카이트 원료의 사용 및 폐기물을 현저하게 줄일 수 있음을 보여준다.[82]

=== 납 대체 연구 ===

페로브스카이트 태양 전지(PSC)에 사용하기 위해 납 페로브스카이트를 대체할 유망한 대체 물질을 분석하기 위한 다양한 연구가 수행되었다. 이상적으로 낮은 독성, 좁은 직접 밴드갭, 높은 광학 흡수 계수, 높은 캐리어 이동도 및 우수한 전하 수송 특성을 갖는 대체 물질의 유망한 후보에는 주석/게르마늄-할로겐화물 페로브스카이트, 이중 페로브스카이트, 페로브스카이트 유사 구조의 비스무트/안티몬-할로겐화물이 있다.[83]

주석 할로겐화물 기반 PSC는 낮은 전력 변환 효율(PCE)을 보이며, 실험적으로 제작된 경우 9.6%의 PCE를 달성했다. 이러한 상대적으로 낮은 PCE는 부분적으로 Sn2+의 Sn4+로의 산화 때문인데, 이는 구조 내에서 p형 도펀트 역할을 하며 더 높은 암전하 농도와 캐리어 재결합 속도 증가를 초래한다.[84] 게르마늄 할로겐화물 페로브스카이트는 낮은 효율과 산화 경향 문제로 인해 마찬가지로 성공적이지 않은 것으로 입증되었으며, 한 실험적 태양 전지는 단 0.11%의 PCE를 보였다.[85] 일부 게르마늄 주석 합금 기반 페로브스카이트에서 더 높은 PCE가 보고되었는데, CsSn0.5Ge0.5I3 무기막의 경우 7.11%의 PCE가 보고되었다. 이 높은 효율 외에도, 게르마늄 주석 합금 페로브스카이트는 또한 높은 광안정성을 갖는 것으로 밝혀졌다.[86]

주석 및 게르마늄 기반 페로브스카이트 외에도, A2M+M3+X6의 공식을 갖는 이중 페로브스카이트의 생존 가능성에 대한 연구도 이루어졌다. 이러한 이중 페로브스카이트는 약 2 eV의 유리한 밴드갭을 가지며 우수한 안정성을 나타내지만, 높은 전자/정공 유효 질량과 간접 밴드갭의 존재를 포함한 여러 문제가 캐리어 이동도 및 전하 수송을 감소시킨다.[87] 납 페로브스카이트를 대체하는 비스무트/안티몬 할로겐화물의 생존 가능성을 탐구하는 연구도 이루어졌으며, 특히 Cs3Sb2I9 및 Cs3Bi2I9의 경우에도 약 2 eV의 밴드갭을 갖는다.[88] 실험 결과에 따르면, 안티몬 및 비스무트 할로겐화물 기반 PSC는 우수한 안정성을 갖지만, 낮은 캐리어 이동도와 열악한 전하 수송 특성으로 인해 납 기반 페로브스카이트를 대체하는 데 한계가 있다.[83]

=== 납 누출 방지 연구 ===

페로브스카이트 태양 전지 (PSC)의 납 누출을 줄이기 위한 연구는 주로 캡슐화와 화학적 결합 코팅 방식을 중심으로 진행되고 있다.

자가 치유 고분자를 활용한 캡슐화 연구에서는 서린과 열 경화성 에폭시 수지(디글리시딜 에테르 비스페놀 A:n-옥틸아민:m-자일리렌디아민 = 4:2:1)가 사용되었다. 실험 결과, 시뮬레이션된 맑은 날씨 및 우박 손상 조건에서 이러한 고분자를 사용했을 때 납 누출이 크게 감소했다. 특히 에폭시 수지 캡슐화는 시뮬레이션된 햇빛에 의해 가열되었을 때 납 누출을 375배 감소시켰다.[89]

화학적 결합 코팅 방식에서는 양이온 교환 수지(CER)와 P,P'-디(2-에틸헥실)메탄디포스폰산(DMDP)이 사용되었다. 이들 코팅은 기상 피해 후 PSC 모듈에서 누출될 수 있는 납을 화학적으로 격리한다. CER은 확산 제어 프로세스를 통해 Pb2+ 납을 흡착 및 결합하며, Mg2+ 및 Ca2+와 같은 경쟁 이온 존재 하에서도 효과를 유지한다.[90]

실험 결과, CER 코팅은 손상된 PSC 모듈의 구리 전극에 적용했을 때 납 누출을 84% 감소시켰고, 탄소 기반 전극 페이스트와 캡슐화 유리에 통합되었을 때 98% 감소시켰다.[90] DMDP 코팅은 실온에서 96.1%의 납 격리 효율을 보였다.[91]

10. 1. 납 대체 연구

페로브스카이트 태양 전지(PSC)에 사용하기 위해 납 페로브스카이트를 대체할 유망한 대체 물질을 분석하기 위한 다양한 연구가 수행되었다. 이상적으로 낮은 독성, 좁은 직접 밴드갭, 높은 광학 흡수 계수, 높은 캐리어 이동도 및 우수한 전하 수송 특성을 갖는 대체 물질의 유망한 후보에는 주석/게르마늄-할로겐화물 페로브스카이트, 이중 페로브스카이트, 페로브스카이트 유사 구조의 비스무트/안티몬-할로겐화물이 있다.[83]

주석 할로겐화물 기반 PSC는 낮은 전력 변환 효율(PCE)을 보이며, 실험적으로 제작된 경우 9.6%의 PCE를 달성했다. 이러한 상대적으로 낮은 PCE는 부분적으로 Sn2+의 Sn4+로의 산화 때문인데, 이는 구조 내에서 p형 도펀트 역할을 하며 더 높은 암전하 농도와 캐리어 재결합 속도 증가를 초래한다.[84] 게르마늄 할로겐화물 페로브스카이트는 낮은 효율과 산화 경향 문제로 인해 마찬가지로 성공적이지 않은 것으로 입증되었으며, 한 실험적 태양 전지는 단 0.11%의 PCE를 보였다.[85] 일부 게르마늄 주석 합금 기반 페로브스카이트에서 더 높은 PCE가 보고되었는데, CsSn0.5Ge0.5I3 무기막의 경우 7.11%의 PCE가 보고되었다. 이 높은 효율 외에도, 게르마늄 주석 합금 페로브스카이트는 또한 높은 광안정성을 갖는 것으로 밝혀졌다.[86]

주석 및 게르마늄 기반 페로브스카이트 외에도, A2M+M3+X6의 공식을 갖는 이중 페로브스카이트의 생존 가능성에 대한 연구도 이루어졌다. 이러한 이중 페로브스카이트는 약 2 eV의 유리한 밴드갭을 가지며 우수한 안정성을 나타내지만, 높은 전자/정공 유효 질량과 간접 밴드갭의 존재를 포함한 여러 문제가 캐리어 이동도 및 전하 수송을 감소시킨다.[87] 납 페로브스카이트를 대체하는 비스무트/안티몬 할로겐화물의 생존 가능성을 탐구하는 연구도 이루어졌으며, 특히 Cs3Sb2I9 및 Cs3Bi2I9의 경우에도 약 2 eV의 밴드갭을 갖는다.[88] 실험 결과에 따르면, 안티몬 및 비스무트 할로겐화물 기반 PSC는 우수한 안정성을 갖지만, 낮은 캐리어 이동도와 열악한 전하 수송 특성으로 인해 납 기반 페로브스카이트를 대체하는 데 한계가 있다.[83]

10. 2. 납 누출 방지 연구

페로브스카이트 태양 전지 (PSC)의 납 누출을 줄이기 위한 연구는 주로 캡슐화와 화학적 결합 코팅 방식을 중심으로 진행되고 있다.

자가 치유 고분자를 활용한 캡슐화 연구에서는 서린과 열 경화성 에폭시 수지(디글리시딜 에테르 비스페놀 A:n-옥틸아민:m-자일리렌디아민 = 4:2:1)가 사용되었다. 실험 결과, 시뮬레이션된 맑은 날씨 및 우박 손상 조건에서 이러한 고분자를 사용했을 때 납 누출이 크게 감소했다. 특히 에폭시 수지 캡슐화는 시뮬레이션된 햇빛에 의해 가열되었을 때 납 누출을 375배 감소시켰다.[89]

화학적 결합 코팅 방식에서는 양이온 교환 수지(CER)와 P,P'-디(2-에틸헥실)메탄디포스폰산(DMDP)이 사용되었다. 이들 코팅은 기상 피해 후 PSC 모듈에서 누출될 수 있는 납을 화학적으로 격리한다. CER은 확산 제어 프로세스를 통해 Pb2+ 납을 흡착 및 결합하며, Mg2+ 및 Ca2+와 같은 경쟁 이온 존재 하에서도 효과를 유지한다.[90]

실험 결과, CER 코팅은 손상된 PSC 모듈의 구리 전극에 적용했을 때 납 누출을 84% 감소시켰고, 탄소 기반 전극 페이스트와 캡슐화 유리에 통합되었을 때 98% 감소시켰다.[90] DMDP 코팅은 실온에서 96.1%의 납 격리 효율을 보였다.[91]

11. 재활용

전자 폐기물

페로브스카이트 태양 전지에는 납이 포함되어 있어 재활용이 필수적이다.[168][166][167] 페로브스카이트 태양전지를 매립할 경우, 납 유출로 인해 수역 및 인간 건강에 심각한 위험을 초래할 수 있다.[195] 따라서, 장치 수명 연장, 부정적인 환경 영향 감소, 핵심 물질 착취 감소, 건강 영향 및 에너지 요구 사항 감소를 위해 효율적인 재활용 설계, 공정 또는 프로토콜이 필요하다.[168][166][167]

2021년 기준으로 2000년에 설치된 많은 태양 전지가 수명이 다해 가고 있어 페로브스카이트 재활용 연구가 중요하다. 1GW의 에너지를 생산하는 데 사용되는 가장 효율적인 페로브스카이트 태양 전지에서는 3.5톤의 납 폐기물이 발생한다. 현재 납 오염을 완화하기 위해 태양 전지 가동, 납 흡수 P,P'-디(2-에틸헥실)메탄디포스폰산과 설폰산 양이온 교환 수지 등을 사용하여 손상으로 인한 납 누출을 방지하고 있다.

납 누출 방지 외에도 납의 영향을 줄이기 위한 연구가 진행 중이다. 카르복실산 양이온 교환 수지는 수소와의 이온 교환을 통해 납 이온을 흡착하고, 요오드화나트륨을 수용액에 첨가하여 재결정화 과정을 통해 쉽게 방출할 수 있다. 이 공정은 다른 납 재활용 기술보다 저렴하고 상업적으로 구현될 수 있다.[170]

페로브스카이트 태양 전지의 효율이 단결정 실리콘 태양 전지와 유사한 25.5%에 도달하면서 상업화 가능성이 높아지고 있다.[171] 납과 투명 전도체의 재활용은 유해한 환경 영향을 줄이고 비용을 절감하는 데 필수적이다. 연구에 따르면, 디메틸포름아미드(DMF)와 같은 유기 용매를 사용하여 Pb를 용해하고 ITO/유리를 분리한 후, 카르복실산 양이온 교환 수지를 사용하여 DMF에서 Pb 이온을 흡수하고 Pb(NO3)2 형태로 방출한다. NaI를 용액에 첨가하면 PbI2가 침전되어 재활용될 수 있다. 재활용된 물질은 새로운 물질과 동일한 성능을 보였으며, 재활용 효율은 99.2%에 달했다.[170] 재활용 기반 태양광 모듈은 평방 미터당 약 12달러, 새로운 물질 기반 모듈은 평방 미터당 약 24.8달러로, 재활용이 경제적, 환경적 관점에서 유리하다.[172]

12. 상용화 현황



페로브스카이트 태양 전지는 아직 상용화 초기 단계에 머물러 있지만, 여러 국가에서 소규모 생산이 시작되고 있다. 2021년 5월, 폴란드 브로츠와프에 위치한 Saule Technologies가 페로브스카이트 태양 전지 생산 공장을 열었다.[216] 2021년 기준 폴란드와 중국에서 소규모 생산이 이루어지고 있으나,[217] 불안정성과 짧은 수명으로 인해 대규모 보급은 지연되고 있다.[218] 옥스포드 PV는 2022년 독일 브란덴부르크에 공장을 열었다.[219]

2021년 9월에는 세계 최초로 폴란드의 한 스타트업 기업이 건물 외벽 등에 설치하는 페로브스카이트 전지를 양산하여 출하하기 시작했다.[243] 영국과 중국 기업들 또한 2022년에 양산을 시작할 계획을 가지고 있었으며,[243] 페로브스카이트 태양전지는 저렴한 가격과 설치 장소에 제약이 적다는 장점을 기반으로 보급이 확대될 시 세계 재생 가능 에너지 비율을 높이는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.[243]

기업들은 2020년대 중반까지 25년 보증의 페로브스카이트-실리콘 탠덤 제품 출시를 목표로 하고 있다.[220] 이는 인도의 높은 태양광 발전 목표 달성에 도움이 될 수 있다.[221] 건물 일체형 태양광 발전(BIPV)은 페로브스카이트 태양 전지가 상업화될 수 있는 유망한 분야 중 하나이다.[222] 2021년 루블린의 한 건물은 페로브스카이트 태양광 패널로 외벽을 덮은 최초의 사례가 되었으며, 이는 페로브스카이트의 최초 상업적 사용을 의미한다.[222]

미국 에너지부 산하 태양 에너지 기술 사무소(SETO)는 페로브스카이트 태양 전지 기술의 연구 개발에 투자하고 있다.[223] SETO는 안정성 및 내구성, 규모에 따른 전력 변환 효율, 제조 가능성, 기술 검증 및 은행 적합성 등 네 가지 주요 개선 목표 영역을 설정하였다.[223] 소면적 장치의 실험실 효율이 대규모 장치에서 아직 입증되지 않았기 때문에, 규모에 따른 전력 변환 효율은 여전히 해결해야 할 과제로 남아있다. 전력 산업에서 페로브스카이트 기술을 전력망 수준으로 채택하기 위해서는 대규모 테스트가 필요하다.

기술 검증 및 은행 적합성 개발은 금융 기관의 기술 협력 의지를 높이는 데 중요한 요소이다. 이를 위해 테스트 프로토콜 표준화와 현장 데이터 증가가 필요하다. SETO는 페로브스카이트 광전 기술 상업화를 위한 가속기(PACT) 검증 및 은행 적합성 센터에 자금을 지원하여, 표준화된 현장 및 실험실 테스트를 설정하고 은행 적합성 연구를 수행하여 페로브스카이트 기술의 상업화 준비를 지원하고 있다. 또한, 연구 방향 설정과 프로젝트의 상업화 개발 연관성 확인을 위해 성능 목표를 발표했다.[223]

페로브스카이트형 태양 전지는 얇은 유리나 플라스틱 기판 위에 액체를 펴 바르고 굽는 방식으로 제작되며, 인쇄 기술을 활용하여 기존 태양 전지보다 절반 가격으로 제조할 수 있다.[243]

13. 우주 사업에서의 이용

우주 공간에서 태양광 발전은 유일무이한 일조 중 실용적인 에너지원이며, 대부분의 우주선에 태양 전지가 탑재되어 있지만, 페로브스카이트형은 태양 전지의 최대 열화 요인인 방사선에 대해 매우 높은 내성을 가지고 있다.[244] 일반적인 탐사선과 인공위성은 3접합형 화합물 태양 전지(이하, 3접합형)를 사용하고 있는데, 이쪽은 변환 효율이 약 30%로 높다. 그러나 3접합형보다 페로브스카이트형이 비용 면과 방사능 내구성에 있어 우위에 있다. 향후 연구 개발이 진행되어, 높은 변환 효율과 열 및 빛에 대한 내구성을 가지고, 높은 방사선 내성을 겸비한 저비용의 유연한 페로브스카이트형이 개발된다면, 더욱 가혹한 환경 하에서도 탐사할 수 있을 것으로 생각된다.[245]

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