Co-evaporated compositionally modulated interfaces in perovskite/Si tandems
본 연구는 용매 없는 공동 증착이 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지에서 수직적 조성 변화를 갖는 2D/3D 계면 형성을 가능하게 함으로써, 부피가 큰 유기 양이온을 제거하는 동시에 일관된 결정 연결성을 확보하고 결함 형성을 억제하여, 30.93%의 기록적인 효율과 탁월한 장기 안정성을 달성함을 입증한다.
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더 나은 태양광 발전을 향한 탐구는 오랫동안 단순한 아이디어에 집중해 왔습니다. 바로 서로 다른 재료를 하나 위에 다른 하나를 쌓아 올려 태양 에너지를 더 많이 포착하는 것입니다. 맨 위쪽 조각은 고에너지의 푸른 빛을 잡도록 설계되고, 아래쪽 조각은 그 아래를 통과하는 저에너지의 붉은 빛을 잡는 샌드위치를 상상해 보십시오. 이것이 바로 페로브스카이트라는 합성 결정과 전통적인 실리콘을 결합한 탠덤 태양전지의 약속입니다. 이 조합은 이미 효율 기록을 경신했지만, 한 가지 고질적인 문제가 남아 있습니다. 시간이 흐름에 따라 이 장치들은 성능이 저하되어 전기를 생성하는 능력을 잃는 경향이 있다는 점입니다. 원인은 종종 장치 내부 깊숙한 곳, 즉 두 층이 만나는 보이지 않는 경계면에 숨어 있습니다. 이곳에서 결정 구조 내의 미세한 틈은 원자들이 돌아다니고 반응하게 하여, 재료가 수확해야 할 바로 그 햇빛 아래에서 분해되도록 만듭니다. 수년 동안 과학자들은 액체 화학 물질을 사용하여 이러한 틈을 메우려 노력해 왔지만, 그 액체 속의 용매가 보호하려는 섬세한 층을 오히려 녹여버려, 수리가 아닌 손상의 순환을 만들어내곤 했습니다.
연구팀은 이제 액체를 전혀 사용하지 않고도 이러한 태양전지를 위한 더 강하고 안정적인 토대를 구축하는 방법을 찾아냈습니다. 재료를 붓는 대신, 그들은 원자 하나하나를 내려놓는 방식인 공동 증착(co-evaporation), 즉 본질적으로 건식 진공 기반의 방식을 사용했습니다. 박막 성장 초기 단계 동안 재료의 흐름을 정밀하게 제어함으로써, 연구진은 페로브스카이트 박막 하단에 특수한 씨앗 층(seed layer)을 만들었습니다. 이 층은 두 가지 서로 다른 결정 구조가 완벽하게 맞물리는 독특한 혼합물로, 마치 서로 맞물리는 벽돌처럼 작동하여 상단의 주요 태양 흡수층과 매끄러운 가교를 형성합니다. 결정적으로, 이 씨앗 층은 원자들이 보통 사라지는 미세한 틈을 채워주는 특정 성분이 풍부하여, 실패를 초래하는 파괴적인 화학 반응을 방지합니다. 이 공정은 건식 방식이기 때문에 액체 방식의 지저도한 용해 문제를 피할 수 있으며, 이를 통해 연구진은 밑바닥부터 재료의 정확한 조성을 프로그래밍할 수 있었습니다.
이 접근 방식의 결과는 놀랍습니다. 연구팀이 이 새로운 매립형 계면을 사용하여 태양전지를 제작했을 때, 30.93%라는 전력 변환 효율을 달ей 달성하며 기술의 비약적인 발전을 보여주었습니다. 하지만 진정한 돌파구는 이 장치가 시간이 지남에 따라 얼마나 잘 견디느냐에 있습니다. 질소 분위기 속 밝은 빛 아래에서 셀을 계속 가동하는 테스트를 진행했을 때, 새로운 디자인은 1,820시간 후에도 초기 성능의 90%를 유지했습니다. 반면, 이 특수한 씨앗 층이 없는 표준 셀은 훨씬 더 빨리 성능이 저하되기 시작하여, 같은 수준의 성능으로 떨어지는 데 300시간도 채 걸리지 않았습니다. 연구진은 이러한 안정성이 계면의 원자 수준의 완벽함에서 온다는 것을 확인했습니다. 개별 원자를 볼 수 있는 강력한 전자 현미경을 사용하여 관찰한 결과, 새로운 디자인의 결정 구조는 끊김 없이 연속적이었으며, 원자가 빠져나갈 틈이 없었습니다. 이러한 연속성은 전기가 자유롭게 흐르게 하는 동시에 재료를 안정된 상태로 고정시켜, 분해 과정을 시작하기도 전에 효과적으로 차단합니다.
또한 이 연구는 왜 이전의 계면 수정 시도들이 번번이 실패했는지 명확히 밝혔습니다. 많은 초기 방법들은 표면에 방패 역할을 할 크고 부피가 큰 분자들을 추가하는 방식에 의존했습니다. 이러한 분자들은 일부 손상을 막아줄 수는 있지만, 동시에 전기의 흐름을 늦추는 장애물로 작용하여 셀의 전체적인 효율을 떨어뜨립니다. 새로운 방법은 이러한 트레이드오프를 완전히 피합니다. 주요 결정과 동일한 기본 구성 요소를 사용하되 배열 방식만 약간 다르게 하여 씨앗 층을 만듦으로써, 연구진은 에너지의 흐름을 방해하지 않으면서도 손상을 막는 장벽을 만들어냈습니다. 현미경 이미지들은 이 새로운 층의 원자들이 위의 원자들과 완벽하게 정렬되어 있어, 전하가 이동할 수 있는 매끄럽고 중단 없는 경로를 형성하고 있음을 보여줍니다. 이러한 정렬은 빛과 열 아래에서 재료의 붕괴를 유발하는 결함의 형성을 방지합니다.
이 디자인이 실제 환경에서도 작동함을 증명하기 위해, 연구팀은 이를 완전한 태양전지 스택에 적용하여 새로운 페로브스카이트 층을 실리콘 셀 바로 위에 배치했습니다. 그 결과 탄생한 장치는 높은 수준의 성능을 보여주었을 뿐만 아니라 놀라운 회복력을 입증했습니다. 연구진은 장치의 출력을 지속적으로 추적하며 지속적인 조명 스트레스를 어떻게 처리하는지 관찰했습니다. 데이터에 따르면, 새로운 계면은 태양전지의 성능 저하를 일으키는 전형적인 내부 화학 변화를 성공적으로 억제했습니다. 박막 하단의 취약점을 제거함으로써 전체 구조가 더욱 견고해진 것입니다. 이 연구는 차세대 태양 에너지의 잠재력을 끌어올리는 열쇠가 새로운 이국적인 재료를 찾는 데 있는 것이 아니라, 우리가 이미 가지고 있는 원자들을 정밀하게 배열하는 법을 익히는 데 있음을 시사합니다. 재료가 형성되는 첫 순간부터 제어함으로써, 과학자들은 더 효율적일 뿐만 아니라 더 오래 지속될 수 있는 태양전지를 만들 수 있으며, 이는 태양광 발전이 강력하면서도 지속 가능한 미래로 우리를 더 가까이 데려다줍니다.
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