광전지 기술의 획기적인 발전으로, 독일의 Helmholtz-Zentrum Berlin(HZB)과 Humboldt-Universität의 연구원들은 페로브스카이트-CIGS 직렬 태양 전지에 대해 25.5%라는 세계 신기록의 전력 변환 효율을 달성했습니다. 유럽 태양광 시험 시설(ESTI)의 인증을 받은 이 이정표는 이 특정 재료 조합에 대해 기록된 최고의 효율성을 나타내며 박막-필름 태양광 기술 개발에 있어 중요한 진전을 의미합니다.
탠덤 아키텍처
이 장치는 "모놀리식 탠덤 구조"로 알려진 상부 셀(페로브스카이트)과 하부 셀(CIGS)을 모두 활용하는 설계로 인해 효율성 면에서 세계 기록을 달성할 수 있습니다. 따라서 셀의 각 부분은 태양 스펙트럼 내의 서로 다른 파장에서 태양 에너지를 흡수하고 변환합니다.-즉, 상단 셀은 고에너지(자외선) 빛을 흡수합니다. 아래쪽 셀은 낮은 에너지(적외선) 빛을 흡수합니다. 이 구조의 결과로 위쪽 셀의 위쪽과 아래쪽 셀의 아래쪽은 단일 장치가 자체적으로 달성하는 것보다 더 높은 효율로 태양 스펙트럼의 다른 부분을 흡수합니다. 따라서 두 장치가 직렬 배열로 함께 작동할 때 전체 효율성이 증가합니다.
획기적인 기술 혁신
이 기록을 달성하기 위해 HZB와 Humboldt{0}}Universität 연구진은 기기 아키텍처의 여러 측면을 체계적으로 최적화했습니다. 그들은 두 가지 서로 다른 두께의 알루미늄-도핑된 산화아연 층과 함께 1.05eV 및 1.1eV의 세심하게 조정된 밴드 갭을 갖는 CIGS- 기반 하단 셀을 탐색했습니다. 이 세심한 밴드갭 엔지니어링을 통해 상단 및 하단 하위 셀 사이에서 현재 세대와 더 잘 일치할 수 있었습니다.-탠덤 장치 성능의 중요한 요소입니다.
또한 팀은 정공 수송층 재료에 대한 광범위한 검사를 수행하여 산화니켈(NiOx)과 자기 조립 단층(SAM)의 다양한 조합을 테스트했습니다-. 이러한 인터페이스 레이어는 태양 전지의 메커니즘을 제한하는-1차 효율성-재결합 손실을 억제하면서 광생성 전하 캐리어를 추출하는 데 중요한 역할을 합니다. 최적의 인터페이스 구성을 식별함으로써 연구원들은 전하 선택성을 동시에 향상시키는 동시에 접점에서의 에너지 손실을 최소화할 수 있었습니다.
아마도 가장 주목할만한 점은 팀이 초박형 1nm 불화리튬(LiF) 부동태화 층에 증착된 벅민스터풀러렌(C60)의 초기 열 증발 속도를 정밀하게 제어하여 전자{0}}선택적 접촉 형성을 개선했다는 것입니다. 이러한 정교한 접근 방식을 통해 그들은 "보다 제어된 인터페이스 형성 및 향상된 전자 정렬"을 가능하게 했으며, 접촉 층의 나노 규모 엔지니어링이 상당한 성능 향상을 가져올 수 있음을 입증했습니다.
Lab Cell에서 실무 모듈까지
1.081cm²의 작은 면적 장치에서 기록적인 효율성을 달성했지만 연구원들은 최적화를 더 큰 형식으로 변환할 수 있음을 보여주었습니다. 유사한 재료 스택을 사용하여 약 19.7%의 효율을 달성한 2.25cm² 면적의 미니{3}}모듈을 제작했습니다. 이는 소형-셀 효율성에서 상당한 저하를 나타내지만 기본 인터페이스 및 접촉 전략이 실험실 설정 이상으로 확장될 수 있다는 고무적인 증거를 제공합니다.
최종 목적지가 아닌 디딤돌
아마도 이번 발표의 가장 흥미로운 측면은 미래의 잠재력에 대해 시사하는 것입니다. HZB 연구원인 Guillermo Farias Basulto는 "현재 셀 아키텍처의 기초가 되는 물리학에 따르면 25.5%는 초기 단계에 불과하다는 것을 나타냅니다."라고 말했습니다. 유사한 설계에 대한-내부 테스트는 이미 최대 27.5%의 효율성을 달성했습니다. 이는 기본 장치 개념이 여전히 개발되지 않은 상당한 잠재력을 가지고 있음을 의미합니다.
이 연구는 CIGS와 페로브스카이트 기술의 통합을 탐구하기 위해 HZB가 주도하는 EU{0}} 자금 지원 이니셔티브인 'SOLMATES' 프로젝트의 일환으로 수행되었습니다. 이 프로그램에 따른 HZB의 이전 기록은 24.6%로, 비록 점진적이기는 하지만 의미 있는 25.5%로 도약한 것입니다.
태양광 산업에 대한 시사점
이번 성과는 태양전지 산업에 있어 중요한 의미를 갖는다. CIGS 박막-전지는 기존의 박막 태양전지에 비해 유연성이 있고, 부분적으로 조명이 있는 조건에서도 잘 작동할 수 있으며, 제조 비용이 낮은 등 여러 가지 장점이 있습니다. CIGS 셀의 장점과 페로브스카이트 셀의 장점을 결합함으로써 CIGS 셀은 실리콘 셀을 사용할 수 없는 유연한 전자 장치 및 BIPV의 새로운 응용 분야에 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
연구 결과는 또한 페로브스카이트-CIGS 탠덤이 실리콘- 기반 탠덤 시스템과 경쟁력이 있음을 나타냅니다. 얇은 필름만으로 제작이 가능하며, 1마이크로미터 미만의 재료로도 제작이 가능합니다. 초{4}}경량 및 유연한 디자인은 통합 솔루션 구축 또는 휴대용 전자 애플리케이션 구축에 새로운 기회를 제공할 것입니다.-
앞으로 나아갈 길
25.5%는 주목할 만한 성과이지만 페로브스카이트-CIGS 탠덤의 이론적 효율성 한계는 30%를 초과합니다. 현재 기록과 이론적 상한선 사이의 격차는 재료 품질, 인터페이스 엔지니어링 및 광학 관리의 지속적인 최적화를 통해 상당한 개선이 가능함을 시사합니다. 다중 밴드갭, 전송 계층 조합 및 접점 엔지니어링 전략을 탐색하는 독일 팀의 체계적인 접근 방식-은-향후 노력을 위한 방법론적 청사진을 제공합니다.
전 세계 태양광 산업이 급속한 확장을 계속함에 따라, 직렬 전지 기술의 혁신은 태양광 전기 비용을 낮추는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다. 페로브스카이트-CIGS 탠덤에 대한 독일 연구원의 25.5% 효율성 달성은 새로운 세계 기록일 뿐만 아니라 이 두 가지 놀라운 재료 시스템의 교차점에 있는 놀라운 잠재력을 보여줍니다. -내부 결과에 따르면 이미 27.5%가 도달 범위에 도달했으며 이론적 한계가 훨씬 더 높기 때문에 진정으로 혁신적인 태양광 효율성을 향한 여정은 아직 끝나지 않았습니다.
