Efficient and stable industrial-size perovskite/silicon tandems with long-span bisphosphonic self-assembled molecules
본 연구는 산업 규모의 텍스처 처리된 실리콘 위에 균일하고 안정적인 계면 피복을 가능하게 하는 긴 스팬의 비스포스포닉 자기조립 분자(S2)를 도입하여, 인증된 32.6% 효율과 높은 내구성을 가진 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 및 모듈을 구현한다.
원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기
태양 에너지는 오랫동안 근본적인 한계에 부딪혀 왔습니다. 단일 재료 층은 태양광의 특정 부분만을 포착할 수 있어, 나머지 빛은 통과시키거나 낭비되는 열로 변환하기 때문입니다. 이 장벽을 깨기 위해 과학자들은 두 개의 서로 다른 빛 포착 층을 서로 위에 쌓아 탠덤(tandem) 셀을 만드는 방식에 주목했습니다. 상단 층은 고에너지 빛을 잡도록 설계되었고, 하단 층은 대개 실리콘으로 만들어져 상단 층을 통과해 내려오는 저에너지 빛을 포착합니다. 이 두 층이 함께 작동하면 표준 태양광 패널보다 이론적으로 훨씬 더 많은 전기를 생성할 수 있습니다. 그러나 이러한 적층형 셀을 대규모 산업 규모에서 효율적으로 작동하게 만드는 것은 어려운 과제였습니다. 하단의 실리콘 층은 평평하지 않고, 빛을 가두기 위해 미세하고 뾰족한 피라미드 구조로 덮여 있습니다. 이러한 질감은 햇빛을 포착하는 데는 유리하지만, 상단 셀을 기능하게 하는 데 필요한 섬세한 화학 층을 고르게 코팅하기에는 매우 까다로운 거친 지형을 형성합니다. 만약 코팅이 불균일하면 장치는 실패하며, 높은 효율의 약속은 실험실 안에만 갇혀 있게 됩니다.
한 연구팀이 거친 실리콘 표면 위로 완벽하게 드리워질 수 있는 새로운 유형의 분자 층을 설계함으로써 이 코팅 문제를 해결했으며, 이를 통해 대형 태양광 패널의 기록적인 효율을 달eros했습니다. 그들의 성공의 핵심은 실리콘과 상단 빛 포착 층 사이를 잇는 자가 조립 브릿지 역할을 하는 맞춤형 분자에 있습니다. 이러한 브릿지를 만들려는 이전의 시도들은 실리콘의 한 지점에만 붙을 수 있는 작은 분자들을 사용했습니다. 산업용 실리콘의 뾰족한 정점과 능선 위에서, 이 작은 분자들은 다음 지점까지 건너갈 수 없었기에 틈이 생기고 막이 깨지는 현상이 발생했습니다. 다른 연구자들은 더 넓은 범위를 덮기 위해 긴 사슬 형태의 분자들을 사용하기도 했지만, 이들은 매끄러운 시트를 형성하는 대신 지저나게 뭉쳐버리는 경향이 있었습니다. 베이징 대학교, 트리나 솔라(Trina Solar) 및 기타 기관의 과학자들이 개발한 이 새로운 설계는 두 방식의 장점을 결합했습니다. 그들은 실리콘 피라미드의 날카로운 끝을 가로질러 펼쳐질 수 있는 길고 유연한 골격을 가진 동시에, 양 끝에 하나의 닻 대신 두 개의 강력한 닻을 갖춘 분자를 만들어냈습니다.
연구진은 이 특정 설계가 분자들을 고르게 퍼뜨려 뭉치거나 틈을 남기지 않고 질감이 있는 표면의 모든 인치를 덮을 수 있게 한다는 것을 발견했습니다. 분자가 길고 유연하기 때문에, 분자들은 휘어지고 변형되어 실리콘의 형태에 순응하며 피라미드의 한쪽 면에서 다른 쪽 면까지 도달할 수 있습니다. 양 끝의 두 닻은 표면을 단단히 움켜쥐어 열과 스트레스 속에서도 층이 제자리에 유지되도록 합니다. 이러한 균일한 피복은 매우 중요한데, 이는 전기가 상단 층에서 하단 층으로 흐를 때 막히거나 새어나가지 않고 매끄럽게 흐를 수 있게 하기 때문입니다. 연구팀이 실험실 환경에서 작은 실리콘 조각에 이 새로운 분자를 테스트했을 때, 결과물인 태양 전지는 내리쬐는 햇빛의 34.3%를 전기로 변환했습니다. 이는 이와 같은 유형의 소형 셀에 대한 이전의 기록들을 크게 뛰어넘는 수치입니다.
더 중요한 것은, 연구팀이 이 방식이 실제 전력 생산에 필요한 거대한 규모에서도 작동한다는 것을 증명했다는 점입니다. 그들은 표준 산업용 태양광 패널 크기와 거의 유사한 대형 실리콘 웨이퍼에 프린터처럼 표면을 코팅하는 기계를 사용하여 동일한 분자를 적용했습니다. 이 대형 패널은 해당 크기의 태양 전지 중 역대 최고 효율인 32.6%의 인증된 효율을 달성했습니다. 이 기술이 실제 세상에 나갈 준비가 되었는지 확인하기 위해, 연구진은 수년간의 야외 사용을 모사하는 가혹한 조건에 패널을 노출시켰습니다. 그들은 패널을 고온 다습한 환경에서 구워내고 극심한 온도 변화를 겪게 했습니다. 이러한 테스트를 거친 후에도 패널은 원래 전력 출력의 90% 이상을 유지했습니다. 연구진이 이 세포들로 만든 모듈을 야외에 설치했을 한 달 동안, 모듈은 일관된 에너지를 계속해서 생산했습니다.
이 연구는 차세대 태양 에너지의 잠재력을 완전히 끌어올리는 열쇠가 단순히 빛을 포착하는 재료에 있는 것이 아니라, 그 재료들이 아래에 있는 실리콘과 어떻게 연결되느냐에 달려 있음을 보여줍니다. 산업용 실리콘의 거친 지형을 가로지를 만큼 충분히 길고, 그것을 붙잡을 만큼 강한 분자를 설계함으로써, 연구진은 고효율 태양 전지를 작은 실험실 샘플 안에만 머물게 했던 주요 병목 현상을 제거했습니다. 이 성과는 빛을 포착하는 재료 자체만큼이나 층 사이의 섬세한 인터페이스를 정밀하게 관리할 수 있다면, 더 저렴하고 강력한 태양 에너지로 가는 길이 명확하다는 것을 시사합니다. 결과는 이러한 탠덤 셀이 더 이상 이론적인 가능성에 그치지 않고, 대량 생산이 가능한 실행 가능한 기술임을 나타냅니다.
연구 분야의 논문에 파묻히고 계신가요?
연구 키워드에 맞는 최신 논문의 일일 다이제스트를 받아보세요 — 기술 요약 포함, 당신의 언어로.