도펀트 없는 HTL, 2D/3D 페로브스카이트 태양 전지 효율 25.9% 달성

매사추세츠 공과대학교(MIT)가 이끄는 글로벌 연구팀은 2D/3D 페로브스카이트 태양 전지 개발에서 획기적인 진전을 이루어 기록적인 효율과 장기 안정성을 달성했습니다. 에 게재됨과학, 라는 제목의 연구“강력한 2차원 페로브스카이트 상의 자발적 형성”는 n-i-p 소자 구조의 신뢰성을 강화하는 새로운 도펀트가 없는 정공 수송층(HTL)을 소개합니다.

페로브스카이트 안정성을 위한 내구성 있는 2D 중간층

전통적으로 2D 페로브스카이트는 3D 페로브스카이트를 보호하는 장벽층 역할을 하지만, 이러한 취약성은 종종 전지의 전반적인 내구성을 저해합니다. 주저자인 숀 탠(Shaun Tan)은 연구진이 혼합 용매법을 사용하여 구조적으로 견고한 2D 중간층을 개발했다고 설명합니다. 이 용액 공정 기술을 통해 하이브리드 페로브스카이트 구조의 장기 성능에 필수적인 고결정성과 고순도 2D 페로브스카이트를 형성할 수 있었습니다.

저하 유발 요인 제거

연구진은 HTL에서 불안정한 도펀트를 사용하지 않음으로써 일반적인 열화 문제를 해결했습니다. tBP나 LiTFSI와 같은 기존 첨가제 대신, 도핑되지 않은 스피로-OMeTAD를 사용했습니다. 이 도펀트 없는 HTL은 소자 효율을 유지하면서 열 안정성을 향상시킵니다. 소자 스택은 다음과 같습니다.

• 불소 도핑 주석 산화물(FTO)

• 화학욕 증착 SnO₂(CBD-SnO₂)

• MACl, MAPbBr₃ 및 과잉 PbI₂로 강화된 3D FAPbI₃ 페로브스카이트

• 순수한 2D 페로브스카이트 중간층

• 스피로-미오타드

• 금(Au) 상부 전극

이 차세대 태양전지는 최고 성능의 역핀 설계에 필적하는 25.9%의 전력 변환 효율(PCE)을 보여주었습니다.

장기 테스트를 통한 안정성 검증

이 소자는 기본적인 성능 외에도, 질소 환경에서 자외선 노출과 함께 1-sun AM 1.5G 조건에서 1,074시간 동안 연속 조명을 견뎌냈으며, 초기 효율의 91%를 유지했습니다. 이는 안정적인 페로브스카이트 태양광 발전, 특히 긴 수명을 요구하는 상업용 응용 분야에 있어 중요한 이정표입니다.

실제 세계 응용 프로그램의 미래

탄은 이 연구의 더 광범위한 함의를 강조했습니다. "2D 조성과 용매 혼합의 조합 가능성은 거의 무한합니다. 이 방법은 페로브스카이트 태양 전지의 효율과 안정성에 새로운 지평을 열 수 있을 것입니다."

글로벌 협력 노력

이 연구는 MIT, 성균관대학교(한국), 마르마라대학교(터키), 로렌스 버클리 국립연구소, 미국 에너지부 산하 국가 재생에너지연구소(NREL)의 글로벌 협업을 반영합니다.