페로브스카이트: 새로운 유형의 태양광 기술로 풍부하고 저렴하며 인쇄 가능한 전지를 위한 길을 열다

스완지 대학교 SPECIFIC 혁신 및 지식 센터 선임 연구 책임자

David Beynon은 EPSRC와 웨일스 정부로부터 자금을 지원받습니다. 그는 이전에 유럽 지역 개발 기금, Tata Steel, Power Roll Ltd 및 European Union Horizon의 자금 지원을 받는 연구 프로젝트에 참여했습니다.

Swansea University는 The Conversation UK의 회원으로서 자금을 제공합니다.

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실리콘 태양전지는 태양으로부터 전기를 생산하는 확립된 기술입니다. 그러나 생산하는 데 많은 에너지가 필요하고 단단하며 깨지기 쉽습니다.

그러나 새로운 종류의 태양전지가 그 성능에 부응하고 있다. 게다가 이제 특수 잉크를 사용하여 인쇄할 수 있으며 고르지 않은 표면에도 유연하게 감쌀 수 있습니다.

우리는 실리콘보다 생산 비용이 훨씬 저렴한 페로브스카이트 소재로 만든 세계 최초의 말아서 인쇄할 수 있는 태양전지를 개발했습니다. 효율성도 향상시킬 수 있다면 이는 이전보다 훨씬 더 큰 규모로 더 저렴한 태양전지를 만들 수 있는 가능성을 의미합니다.

우리가 인식하고 있는 실리콘 태양전지는 상당한 한계를 갖고 있다. 우리의 필요를 충족할 만큼 충분히 만들어지면 2050년까지 재료가 고갈될 수 있습니다. 따라서 우리에게는 뭔가 새롭고 많은 것이 필요합니다. 그 격차를 메우기 위해 페로브스카이트 태양전지가 등장하고 있다.

페로브스카이트는 무기성분과 유기성분으로 이루어진 결정구조로 17~18세기 러시아 광물 전문가 레프 페로브스키(Lev Perovski)의 이름을 따서 명명됐다.

페로브스카이트 태양전지는 2012년 연구실에 처음 등장했으며 두 가지 요인, 즉 햇빛을 전기로 변환하는 능력과 잉크 조합으로 생성할 수 있는 가능성으로 인해 연구자들의 관심을 끌었습니다.

연구실에서는 산소와 물이 완전히 제거된 환경에서 고도로 통제된 생산 방법을 사용하여 페로브스카이트 태양전지가 이제 실리콘 태양전지의 발전량과 맞먹을 수 있게 되었습니다. 이는 놀라운 성과입니다.

그러나 실리콘을 사용하지 않는 값싼 페로브스카이트 태양전지는 아직 상업적 규모로 제조되지 않았습니다. 그렇다면 일반 포장 인쇄에 사용하는 것과 동일한 종류의 공정을 사용하여 이러한 재료를 생산할 수 있다면 어떨까요?

내 동료들과 나는 최근 플라스틱 필름 롤을 인쇄기에 넣을 수 있고 작동하는 페로브스카이트 태양전지가 반대쪽 끝에 나타나는 것을 시연했습니다. 그러나 데스크탑 프린터에 잉크를 붓는 것만큼 간단하지는 않습니다.

우선, 과학자들은 기록적인 효율성을 달성하려면 이 새로운 형태의 태양전지의 반도체 및 페로브스카이트 층이 50~500나노미터(인간 머리카락보다 약 500배 더 작음)로 극도로 얇아야 한다는 사실을 발견했습니다.

또한 인쇄에 사용되는 잉크에는 독성이 강한 용제가 필요했습니다. 그러나 수년간의 노력 끝에 우리는 원래 사진 필름 생산에 사용되었던 확립된 산업 기술인 슬롯 다이 코팅 공정과 호환되는 독성 용제가 없는 잉크를 제조했습니다.

인쇄된 페로브스카이트 층은 빛이 닿는 에너지로부터 자유 전자를 생성합니다. 그런 다음 반도체는 우수한 전력 변환 효율(전력 출력에 대한 광 출력의 비율)로 페로브스카이트가 이러한 전자를 재흡수하는 것을 방지합니다.

한 가지 문제가 남았습니다. 전하를 추출하는 방법입니다. 과거에는 금이 증발할 때까지 진공에서 금을 가열한 후 페로브스카이트 태양전지에 증기를 모아 전극을 형성함으로써 이를 달성했습니다.

우리는 페로브스카이트 재료와 슬롯 다이 코팅 공정 모두와 호환되는 탄소 잉크를 만드는 다른 접근 방식을 취했습니다. 그 결과, 전력을 생산할 준비가 된 인쇄기에서 나오는 유연하고 굴릴 수 있는 대량의 태양 전지가 탄생했습니다.

페로브스카이트 태양전지는 연구실에서 높은 성능을 입증해 이제는 대량생산으로의 도약이 가능하다는 것이 입증됐다. 하지만 아직 작업이 완전히 완료되지 않았습니다.