페로브스카이트 태양전지의 결함 찾아보기

 가까운 미래에 화석 연료로부터 완전히 독립하는 것을 목표로 하는 전 세계 많은 국가에서 온실가스 및 오염 물질 배출을 줄이고, 기후 변화의 미래 위험을 낮추며, 지정학적 사건에 따른 석유 및 가스 가격의 변동성을 둘러싼 경제 및 에너지 안보 문제를 완화하는 데 도움이 되는 대체 에너지원이 절실히 요구되고 있습니다. 태양광 발전은 태양 에너지를 전기로 변환하는 대체 에너지원입니다. 화석 연료와 달리 태양 에너지는 무한하며 배기가스를 배출하지 않는 기술이기 때문에 매우 바람직한 에너지입니다.

태양광 패널에 사용되는 광전지는 태양광을 흡수하고 전자를 생성하여 전도성 전극으로 흐르게 하여 전류를 생성하는 반도체 소재를 사용합니다(그림 1).  태양 전지에 사용되는 주요 반도체 재료는 실리콘으로, 풍부하고 안정적이며 태양 복사에 잘 부합하는 광학적 특성을 가지고 있다는 장점이 있습니다. 실리콘 사용의 단점은 사용되는 큰 결정은 에너지 집약적인 고비용의 복잡한 제조 공정이 필요하다는 것입니다. 페로브스카이트는 비교적 간단하고 저렴한 적층 증착 제조 기술과 높은 수준의 광학 튜닝성을 제공하는 조성 유연성으로 인해 실리콘의 유망한 대안으로 부상했습니다. 페로브스카이트 태양전지 효율은 처음 개발된 이후 급속하고 극적으로 개선되어 현재 결정질 실리콘 전지와 경쟁할 수 있는 수준에 이르렀습니다. 그러나 페로브스카이트는 셀 결정성, 에너지 밴드 정렬 및 비방사 전하 재결합에 영향을 미치는 결함이 발생하기 쉬우며, 이 모든 것이 소자 성능을 저하시킬 수 있습니다.

Figure 1. A perovskite photovoltaic cell.

 RMS1000 라만 현미경을 사용하여 그림 2와 같이 큰 결함이 의심되는 혼합 할로겐화물 페로브스카이트 박막 세그먼트의 밴드 간 재결합의 특징인 정상 상태 광발광 반응을 이미지화했습니다.

Figure 2. Stitched brightfield image of a perovskite thin film containing a suspected defect.

그림 2의 명시야 이미지에서 결함 주변의 빨간색 사각형은 이미징을 위해 지정된 영역이며, 그 결과의 광발광 강도 맵은 그림 3A에 나와 있습니다. 이 지도를 보면 결함이 의심되는 영역에서 방출되는 광발광이 주변 필름에 비해 현저히 감소하는 것을 볼 수 있으며, 이는 완전한 태양전지에서는 전력 변환 감소로 해석될 수 있습니다. 지도의 고강도 및 저강도 영역의 해당 스펙트럼(그림 3B)을 보면 광발광 파장도 지도 전체에서 이동하는 것을 볼 수 있습니다. 주변 필름과 결함 구조에서 추출한 스펙트럼의 피크 파장 차이는 34nm로, 이는 두 영역에서 밴드 갭과 페로브스카이트 구조의 형태가 다르다는 것을 시사합니다.

Figure 3. Photoluminescence imaging of a perovskite thin film using the RMS1000 Raman Microscope.