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페로브스카이트 태양전지가 기존 실리콘
안녕하세요!
페로브스카이트 태양전지가 기존 실리콘 전지 대비 높은 광흡수율과 저비용 공정이 가능한 결정 구조의 특징은 무엇인가요?
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 박재화 박사입니다.
페로브스카이트 태양전지느 보통은 ABX3 형태의 결정구조를 가지고, 구성 원소를 바꾸기 쉽기 때문에 빛을 흡수하는 특성을 조절하기 좋습니다. ABX3는 화학식으로 여기에서 3은 아래 첨자로 작성되어야 하는 것으로 웹상에서 아래첨자로 쓰기가 어려워 편의상 저렇게 작성하였으니 양해 부탁드립니다.
이 물질은 빛을 매우 강하게 흡수하기 때문에 실리콘보다는 훨씬 얇은 막으로도 충분한 태양광을 받아들일 수 있습니다. 또 빛을 받아 만들어진 전자와 정공이 결정 내부를 비교적 잘 이동해 전류를 만들어내는 데 유리합니다.그리고 결정에 일부 작은 결함이 있어도 성능이 크게 떨어지지 않는 특성도 가지고 있어 박막 제조가 비교적 쉬운 특성이 있습니다.
실리콘 태양전지는 고온 공정과 정밀한 결정 성장을 요구하지만, 페로브스카이트는 비교적 낮은 온도에서 용액 코팅이나 인쇄 방식으로도 만들어 낼 수 있습니다. 여기에 구성 원소를 조절하면 흡수하는 빛의 범위도 바꿀 수 있기 때문에 실리콘과 결합한 탠덤 태양전지에도 활용하기 좋다는 평가입니다.
결국에는 강한 광흡수 특성과 조성 조절이 쉬운 결정구조를 가지고 있고, 무엇보다도 간단한 저온 박막 공정이 페로브스카이트 태양전지의 주요 장점이라고 할 수 있습니다.
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채택된 답변안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
페로브스카이트는 ABX_3 화학식을 가지는 결정 구조로 광흡수 계수가 매우 높아 단 몇 백 나노미터 의 얇은 박막만으로도 태양광의 대부분을 효율적으로 흡수할 수 있습니다 또한 전자와 양공이 원활하게 이동하는 우수한 전하 수송 특성을 지녀 빛 에너지를 전기 에너지를 변환할 때 전력 손실이 극히 적습니다 제조 관점에서는 고온 처리 과정이 필수적인 기존 실리콘과 달리 용액 합성 공정이나 낮은 온도에서의 용액 공정이 가능하여 제조 비용과 설비 투자를 획기적으로 낮출 수 있습니다 이처럼 높은 광흡수율과 우수한 전하 수송성 저온 용액 공정 편의성이 결합하여 페로브스카이트 태양전지의 차세대 핵심 경쟁력을 형성합니다
페로브스카이트 태양전지의 가장 큰 장점은 빛을 잘 흡수하면서도 얇은 막으로 만들 수도 있고, 공정 또한 낮은 온도의 공정이 가능하다는 점입니다.
페로브스카이트는 원소 조합을 바꿔 밴드갭을 조절할 수 있기 때문에 태양빛을 흡수하기 좋은 특성으로 설계가 가능하고, 또 빛을 흡수하면 전자와 정공이 생성되고 이들이 비교적 효율적으로 이동할 수 있어서 얇은 흡수층만으로도 빛을 전기로 바꿀 수 있는 특징이 있습니다.
실리콘은 고온에서 웨이퍼를 만들고 가공하는 고정이 필요한 반면, 페로브스카이트는 잉크처럼 코팅한 뒤 결정막을 형성하는 방식도 가능하기 때문에 제조비용을 낮출 가능성이 있습니다. 다만 습기와 열과 빛에 대한 장기 안정성이 중요한 과제라 실제 발전소에서는 실리콘보다 내구성 측면에서 해결해야 할 문제들이 많이 남아 있습니다.
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
페로브스카이트는 ABX₃라는 결정 구조를 갖는 물질이에요. A 자리에 유기 암모늄 양이온, B 자리에 금속 양이온, X 자리에 할로겐 음이온이 들어가는 구조인데, 결정 구조 안에 유기 이온과 무기 이온을 모두 품은 진짜 유무기 복합 소재라서 독특한 물성이 나와요.
광흡수율이 높은 건 빛을 흡수하는 방식의 차이에서 나와요. 실리콘은 간접 밴드갭 물질이라 광흡수 특성이 좋지 않아 태양빛을 최대로 흡수하려면 최소 수백 마이크로미터 이상 두껍게 만들어야 하는데, 페로브스카이트는 전자가 빛을 받아 바로 들뜰 수 있는 직접 밴드갭 구조라 같은 빛을 수백 분의 일 두께의 얇은 막으로 흡수해요. 재료가 적게 드니 가볍고 유연하게 만들 수 있는 거예요. 밴드갭을 다양한 범위에서 조절할 수 있다는 점도 결정 구조의 장점인데, X 자리의 할로겐 원소 비율만 바꾸면 흡수하는 빛의 영역이 달라져서 실리콘 위에 얹는 탠덤 전지 설계에 유리해요.
저비용 공정은 이 결정이 만들어지는 방식 덕분이에요. 이온 결합성 물질이라 용액에 녹였다가 도포하고 말리면 상온 근처에서도 결정이 저절로 자라요. 저온 용액 인쇄 공정으로 가볍고 유연한 기재에 제작할 수 있어 대량 고속 생산 잠재력이 있다는 것이 핵심이에요. 실리콘처럼 1400도가 넘는 고온 용융과 잉곳 절단 공정이 필요 없으니 설비와 에너지 비용이 확 줄어요. 결함이 조금 있어도 성능이 크게 안 깎이는 결함 내성까지 갖춰서, 값싼 공정으로 만들어도 무기물 수준의 광흡수 성능이 유지되는 거예요.
정리하면 직접 밴드갭이 주는 강한 흡수력, 조성 조절이 쉬운 유연한 구조, 용액으로 결정이 자라는 성질 세 가지가 페로브스카이트의 경쟁력이에요 :)