Pr3+-Doped SnO2 Electron Transport Layers for 23-Fold Indoor PCE Recovery in Flexible CsPbBr3 Perovskite Solar Cells

당신의 기기들이 벽에 있는 콘센트에 꽂을 필요도 없고, 몇 달마다 배터리를 교체할 필요도 없는 세상을 상상해 보십시오. 대신, 방 안의 불빛이 내뿜는 부드럽고 꾸준한 빛을 동력 삼아 영원히 작동할 수 있습니다. 이것이 바로 '사물인터근 인터넷(IoT)'의 꿈—서로 대화하는 작고 스마트한 센서들의 우주입니다. 하지만 문제가 하나 있습니다. 이 센서들은 전력이 필요한데, 아주 작은 배터리를 교체하는 일은 매우 번거롭습니다. 과학자들은 실내광으로부터 에너지를 수확하는 방법을 찾아왔지만, 이는 매우 까다로운 작업입니다. 햇빛은 에너지의 거대한 강물과 같지만, 실내광은 마치 잔잔하게 흐르는 작은 시냇물과 같습니다. 그 시냇물을 잡으려면 매우 특별한 종류의 태양전지가 필요합니다.

대부분의 태양전지는 태양의 넓고 강력한 스펙트럼을 포착하도록 설계되었습니다. 이들을 어두운 LED 전등 아래에 두면, 너무 "새는(leaky)" 성질 때문에 제대로 작동하지 못하고 멈춰버립니다. 태양전지를 빗물을 받는 양동이라고 생각해 보십시오. 만약 양동이 바닥에 구멍(션트 또는 누출)이 있다면, 폭우가 쏟아질 때는 그래도 양동이를 채울 수 있을 것입니다. 하지만 비가 아주 조금씩 내린다면, 그 구멍 때문에 양동이가 채워지기도 전에 모든 물방울이 빠져나가 버릴 것입니다. 실내용 태양전지가 작동하려면, 누출이 없는 완벽하게 밀봉된 양동이어야 하며, 실내 전구가 내뿜는 특정 색상의 빛을 포착할 수 있도록 조정되어야 합니다. 바로 이 지점에서, 그 구멍들을 막고 양동이를 실내 환경에 맞게 조정하려는 새로운 연구가 등장합니다.

말라야 대학교의 모하마드 가디미메르(Mohammad Ghadimimehr)와 아지마 빈티 오마르(Azimah Binti Omar)가 이끄는 연구진은 CsPbBr3 페로브스카이트라는 물질로 만든 유연한 태양전지를 사용하여 새로운 아이디어를 테스트하기로 했습니다. 이 물질은 실내 LED의 청색광과 녹색광을 흡수하기에 완벽한 크기를 가진 스펀지와 같아서, 우리에게 딱 필요한 역할을 합니다. 하지만 아무리 좋은 스펀지라도 전기를 이동시키는 층(전자 수송층, ETL이라고 불림)에 결함이 있다면 누수가 발생할 수 있습니다. 이 경우, ETL은 산화주석(SnO2)이라는 물질로 만들어졌습니다.

연구팀은 이 산화주석 층에 프라세오디뮴(Pr3+)이라는 희토류 원소를 아주 소량 '도핑(doping)'하는 시나리오를 시뮬레이션했습니다. 도핑을 레시피에 결함을 고치기 위해 비밀 재료를 추가하는 것에 비유할 수 있습니다. 이 경우, 프라세오디뮴은 미세한 패치 키트 역할을 합니다. 산화주석 층에는 보통 전기가 새어 나가는 미세한 구멍(산소 공석)이 존재합니다. 서로 다른 전기적 상태를 오갈 수 있는 프라세오디뮴 이온들이 달려와 이 구멍들을 메움으로써, 효과적으로 양동이를 밀봉하는 역할을 합니다.

그들의 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 매우 극적입니다. 이들이 만든 "패치된" 태양전지를 표준적인 밝은 햇빛 아래에서 테스트했을 때, 효율은 5.68%에서 8.16%로 향상되며 좋은 성능을 보였습니다. 하지만 진짜 마법은 실내에서 일어났습니다. 일반적인 사무실 밝기인 1000 룩스(lux)의 LED 조명 아래에서, 도핑되지 않은 누수가 있는 태양전지는 효율이 단 0.461%에 불과하여 사실상 쓸모가 없었습니다. 너무 많이 새어나갔기 때문에 생성된 에너지가 사용되기도 전에 거의 다 빠져나간 것입니다. 그러나 프라세오디뮴이 도핑된 버전은 달랐습니다. 누출을 막음으로써 효율이 10.72%로 급증했습니다. 이는 23배의 성능 회복입니다. 연구진은 핵심이 단순히 전기를 더 많이 만드는 것이 아니라, 생성된 적은 양의 에너지를 잃어버리지 않도록 막는 데 있다는 것을 발견했습니다. "션트 저항"(양동이가 얼마나 잘 밀봉되었는지를 나타내는 척도)은 100배 증가하여, 새는 양동이를 물이 새지 않는 양동이로 바꾸어 놓았습니다.

연구팀은 또한 자신들의 결과가 타당하다는 것을 증명하기 위해 정교한 수학적 모델을 사용했습니다. 그들은 임피던스 분광법(impedance spectroscopy)이라는 기술을 사용하여 작업을 검증했는데, 이는 장치의 전기적 심장 박동을 듣는 것과 같습니다. 그들은 "누설" 전류가 55.5배 감소했으며, 셀 내부에서 전기적 전하가 생존하는 시간이 7.4배 증가했다는 것을 발견했습니다. 이는 프라세오디뮴이 실제로 결함 억제제로서 제 역할을 수행하고 있음을 확인시켜 주었습니다.

이 결과들은 실제 실험실에서의 물리적 실험이 아니라 매우 상세한 컴퓨터 시뮬레이션에서 나온 것임을 유념해야 합니다. 저자들은 수학적 계산은 완벽하고 물리학적으로 타당하지만, 실제 태양전지를 제작하여 현실 세계에서 테스트해야 이 수치들을 확정할 수 있다고 명확히 밝히고 있습니다. 또한, 이 특정 "패칭(patching)" 전략은 실내광 아래의 CsPbBr3와 같은 와이드 밴드갭 물질에 가장 잘 작동하며, 다른 유형의 태양전지나 밝은 햇빛 아래에서는 동일하게 작동하지 않을 수 있다고 지적합니다.

결론적으로, 이 논문은 우리의 미래 스마트 기기에 전력을 공급할 수 있는 유망한 경로를 제시합니다. 희토류 원소를 사용하여 유연한 태양전지의 미세한 누출을 막음으로써, 우리는 마침내 거실이나 사무실의 불빛만으로 영원히 작동하는 센서를 만들 수 있을지도 모릅니다. 이 연구는 실내 에너지 수확에 있어서는 양동이를 더 크게 만드는 것보다 누출을 막는 것이 훨씬 더 중요하다는 점을 강조합니다. 만약 이 시뮬레이션이 현실로 구현될 수 있다면, 우리는 기기의 배터리를 다시는 교체할 필요가 없는 세상에 한 걸음 더 가까워질 것입니다.