중국에 빼앗겼던 '차세대 태양전지 효율 1위' 탈환

중국과학원, 스위스 로잔연방공대 등과 선두 다퉈


   한국화학연구원이 개발한 ‘페로브스카이트 태양전지’가 다시 한 번 세계 최고 효율을 기록했다. 


중국과학원과 스위스 로잔연방공대 연구팀과 효율 분야 선두를 다투고 있는 화학연이 최고 효율을 경신한 것은 이번이 여섯 번째다. 특히 이번에는 전문가들 사이에서 ‘이론적으로 달성할 수 있는 최고 효율에 근접했다’는 평이 나오고 있어, 한국이 이 분야의 기술을 선점하는 데 우위에 섰다는 분석이 나온다.


한국화학연구원 페로브스카이트 태양전지 연구진. 맨 왼쪽에서 첫번째가 서장원 책임연구원, 8번째가 신성식 선임연구원이다. 화학연 제공




 

NREL Achieves Breakthrough In Perovskite Solar Cells

Posted by Betsy Lillian -April 22, 20190


Kai Zhu is lead author of the new paper. Photo by Dennis Schroeder/NREL


Researchers at the U.S. Department of Energy’s (DOE) National Renewable Energy Laboratory (NREL) report making a significant breakthrough by producing a tandem perovskite solar cell that pushes the technology closer to its maximum efficiency.


A new chemical formula is behind the boost in efficiency, which also improved the structural and optoelectronic properties of the solar cell.


Perovskite refers to a crystalline structure formed through chemistry. Unlike solar cells made from silicon, their perovskite counterparts can be flexible and are projected to be cheaper to manufacture.


Perovskite solar cells have seen a steady increase in efficiency as researchers continue to refine the technology. Most of those research efforts have centered on lead-based perovskites, which have a wide bandgap. High-efficiency, low-bandgap perovskites would enable the fabrication of very high-efficiency all-perovskite tandem solar cells, where each layer absorbs only a part of the solar spectrum and is optimally configured to convert this light into electrical energy. However, low-bandgap perovskites have long suffered from large energy losses and instability, limiting their use in tandems.


The efforts NREL scientists made to narrow the bandgap by replacing part of the lead atoms in the perovskite structure brought the newly refined low-bandgap perovskite solar cell to about 20.5% efficiency. Their results are detailed in a new paper, “Carrier lifetimes of >1μs in Sn-Pb perovskites enable efficient all-perovskite tandem solar cells,” which appears in Science.


“This is going to be an active research area in the coming years,” says Kai Zhu, a senior scientist at NREL and a corresponding author of the paper.


Replacing lead (Pb) in perovskite solar cells can narrow the bandgap. Adding tin (Sn), however, creates other problems. The rapid crystallization and oxidation of tin creates pinholes and other defects in Sn-based perovskite thin films.


A tandem solar cell utilizing layers of perovskites holds the theoretical maximum efficiency of more than 30%. To reach that, the low bandgap absorber layer by itself must be between 21% and 23% efficient. Solar cells based on a lead-tin mix have reported efficiencies of about 19%, compared to between 21% and 24% for their pure-lead counterparts.


To offset the effects of tin in the mix, NREL scientists introduced the chemical compound guanidinium thiocyanate (GuaSCN). After discovering how 7% GuaSCN was the optimal amount to reduce defects considerably, they validated these findings to make the solar cell more efficient in another key way. Solar cells generate electricity by using light to “excite” electrons. The longer the electrons stay excited, the more electricity is generated. The new low-bandgap material after the chemical modification enabled the electrons to stay excited for more than 1 microsecond, or about five times longer than was previously reported.


The improved low-bandgap, single-junction solar cell with its 20.5% efficiency was then coupled with a conventional wide-bandgap perovskite cell. The researchers achieved a 25% efficient four-terminal and a 23.1% efficient two-terminal perovskite thin-film tandem cell.


Zhu’s co-authors from NREL are Jinhui Tong, Dong Hoe Kim, Xihan Chen, Axel Palmstrom, Paul Ndione, Matthew Reese, Sean Dunfield, Obadiah Reid, Jun Liu, Fei Zhang, Steven Harvey, Zhen Li, Steven Christensen, Glenn Teeter, Mowafak Al-Jassim, Maikel van Hest, Matthew Beard and Joseph Berry. Some researchers are affiliated with the University of Toledo and the University of Colorado at Boulder.


Funding for the research at NREL came from the DOE’s SunShot Initiative, the Solar Energy Technologies Office, and the Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy.

This article was reposted with permission from NREL.

https://solarindustrymag.com/nrel-achieves-breakthrough-in-perovskite-solar-cells/


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한국화학연구원은 서장원 화학소재연구본부 책임연구원과 신성식 선임연구원팀이 미국 매사추세츠공대(MIT)와 함께 페로브스카이트 태양전지의 효율을 24.23%로 올렸다고 23일 밝혔다. 기존 기록인 중국과학원의 23.7%를 0.53%p 뛰어넘은 기록이다. 화학연은 이 효율이 분기별 태양전지 최고효율을 조사·발표하는 연구기관인 미국재생에너지연구소(NREL)의 2019년 2분기 태양전지 최고효율 차트에 지난 16일 공식 등재됐다고 밝혔다.


페페로브스카이트 태양전지. 위키피디아 제공


페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트라는 특수한 구조의 물질을 이용해 태양 빛을 전기로 바꾸는 소자다. 현재 널리 쓰이는 실리콘 태양전지보다 제조하기 쉽고 제작 원가가 낮아 세계적으로 연구가 활발하다. 연구 초기에는 태양 빛을 전기 에너지로 전환하는 효율이 매우 낮았지만, 연구가 거듭되면서 현재는 널리 사용되고 있는 1세대 태양전지인 실리콘 태양전지의 최고효율 26%에 근접하는 효율을 내고 있다. 2세대 태양전지로 꼽히는 박막 태양전지의 22.9%는 이미 뛰어넘었다.




연구자들은 이제 페로브스카이트 태양전지의 효율성이 이론적으로 달성할 수 있는 최고 기록에 근접했다고 평하고 있다. 하지만 연구를 주도한 서장원 화학연 소재연구본부 책임연구원은 "아직도 효율 향상 여지가 남아 있다"고 말한다. 서 책임연구원은 “이번에 효율성을 개선한 것도 태양전지 충전률이라는 변수를 끌어올려 달성했다”며 “앞으로 전류를 상승시켜 효율을 추가로 개선할 계획”이라고 말했다. 신 선임연구원도 “25~26%의 효율을 달성할 수 있을 것”이라고 말했다.


화학연이 NREL 차트의 페로브스카이트 효율 경쟁에서 1위를 달성한 것은 이번이 여섯 번째다. 화학연은 페로브스카이트에 박막을 입혀 효율을 높이면서 크고 안정적인 태양전지를 만드는 기술을 개발해 ‘네이처’ 3월 28일자에 발표하는 등 페로브스카이트 연구를 주도하고 있다.

 

 

태양전지별 세계 최고효율을 보여주는 NREL의 태양전지 최고효율 차트다. 한국화학연구원은 지금까지 페로브스카이트 태양전지 부문에서 세계 최고효율을 6번 경신했다. 사진제공 NREL/한국화학연구원

윤신영 기자 ashilla@donga.com 동아사이언스

和其光 同其塵

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