중국 청두 – 2025년 10월 20일– 중국 전자과학기술대학(UESTC) 연구진이 재생에너지 부문에서 획기적인 성과를 거두면서 인증된 전력 변환 효율 25.13%에 도달한 페로브스카이트 태양전지를 개발했습니다. 이러한 획기적인 발전은 MXene으로 알려진 2차원 티타늄 카바이드를 페로브스카이트 광-흡수층에 다기능 첨가제로 통합함으로써 실현되었습니다. 이 혁신은 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 역사적으로 페로브스카이트 광전지의 상업적 출시를 방해해왔던 안정성 및 열 관리의 중요한 과제를 해결하는 데 있어 중요한 진전을 나타냅니다.
새로운 셀 구조는 "페로브스카이트 태양 전지의 열 관리를 위한 다기능 MXene"에 발표된 연구에 자세히 설명되어 있습니다.매크로-마이크로 문자는 유리 및 인듐 주석 산화물(ITO) 기판, 주석 산화물(SnO2)로 만들어진 전자 수송층, MXene-개질된 페로브스카이트 흡수체, Spiro-OMeTAD를 사용한 정공 수송층 및 금 금속 접점을 특징으로 합니다.
이러한 발전의 핵심은 MXene의 고유한 특성에 있습니다. 그래핀-과 유사한 구조로 명명된 이 화합물은 뛰어난 금속 전도성, 높은 전하 운반체 이동성 및 조정 가능한 표면 특성으로 알려져 있습니다. Ti₃C₂Tₓ MXene 나노시트가 페로브스카이트 층에 내장되면 열 방출과 광전자 성능을 동시에 향상시키는 다용도 구성 요소로 작동합니다.
연구팀은 “태양에너지 연구계는 전하 추출을 최적화하고 안정성을 향상시키며 쉽게 처리할 수 있는 재료를 찾고 있다”며 “MXene의 다기능 장점은 높은 전력 변환 효율뿐만 아니라 우수한 열 안정성을 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 구성할 수 있는 큰 잠재력을 강조한다”고 말했다.
MXene 첨가제의 가장 중요한 기능 중 하나는 열 관리에서의 역할입니다. 지속적인 햇빛 아래에서 태양전지 내부의 열 축적은 성능 저하의 주요 원인입니다. 연구팀은 Ti₃C₂Tₓ 나노시트를 통합하면 페로브스카이트 필름 내에 효율적인 열전도 경로가 생성된다는 사실을 입증했습니다. 이로 인해 층의 열전도율이 0.236 W·m⁻1·K⁻1에서 0.413 W·m⁻1·K⁻1로 증가했습니다. 결과적으로, 표준 조명 조건에서 태양전지의 작동 온도는 42.96도에서 39.97도로 약 3도 감소하여 열-로 인한 열화를 크게 완화했습니다.
열 관리 외에도 MXene 나노시트는 여러 가지 다른 이점을 제공했습니다. 그들은 페로브스카이트 결정의 결정립 경계에서 효과적인 결함 패시베이터 역할을 하여 전하 재결합 손실을 줄였습니다. 이는 필름 거칠기가 24.9 nm에서 15.2 nm로 감소한 것으로 확인된 바와 같이 더 큰 입자 크기를 갖는 보다 균일하고 부드러운 페로브스카이트 필름을 생성했습니다. 또한, 변형된 페로브스카이트 필름은 가시광선 영역에서 더 강한 광 흡수를 나타냈습니다.
이러한 개선 사항이 결합된 결과로 기록적인-성능이 탄생했습니다. 챔피언 장치는 MXene이 없는 기준 셀의 23.70% 효율보다 크게 증가한 25.13%의 전력 변환 효율을 달성했습니다. 또한 개방-전압 1.177V, 단락-전류 밀도 25.29mA cm⁻², 충전율 84.4% 등 우수한 전기적 특성을 나타냈습니다.
효율성 향상만큼 중요한 것은 장치 안정성이 눈에 띄게 향상되었다는 점입니다. MXene- 기반 셀은 85도의 고온 조건과 약 30-35%의 상대 습도에 500시간 노출된 후에도 초기 효율의 약 80%를 유지했습니다. 최대 전력점 추적 기능을 갖춘 질소 대기에서 실시한 안정성 테스트에서 장치는 500시간 후에도 초기 효율의 70%를 유지하여 원래 성능의 20%로 저하된 대조 셀을 크게 능가했습니다. 이러한 견고한 안정성은 기술의 장기 작동 가능성을 나타내는 중요한 지표입니다.
유망한 결과에도 불구하고 연구팀은 Ti₃C₂Tₓ 재료 합성의 높은 비용과 복잡성과 관련된 상용화 경로에 여전히 과제가 남아 있음을 인정했습니다. 향후 연구는 비용을 절감하고 재현성을 향상시키기 위해 합성 경로를 최적화하는 데 중점을 둘 것입니다. Ti₂CTₓ와 같은 대체 MXene 소재를 탐색하는 것도 향후 작업의 핵심 방향입니다.
MXene의 전략적 통합을 통해 달성된 이 획기적인 발전은 태양광 발전의 더 밝고 효율적인 미래를 조명합니다. 고성능, 내구성 및 비용 효율성을 갖춘-페로브스카이트 광전지가 청정 에너지의 주류 공급원이 되는 날이 훨씬 더 가까워졌습니다.
중국전자과학기술대학(UESTC)에 관하여:
중국 전자과학기술대학교는{0}}전자 및 정보 과학, 재료 과학, 에너지 기술에 중점을 둔 연구 프로그램으로 유명한 오랜 역사를 지닌 국립 대학입니다.
