[홍콩] 그래핀 전극을 이용한 반투명 페로브스카이트 태양전지
 기존의 불투명하고 값비싼 실리콘 기반의 태양전지 패널(panel)을 대체하기 위한 저렴하고도 높은 효율을 가지는 투명 혹은 반투명한 태양전지의 개발이 중요한 까닭은, 건물 일체형 태양광발전(building integrated photovoltaics, BIPVs) 시스템에 대한 수요가 증가하고 있기 때문이다.
홍콩 이공대학(The Hong Kong Polytechnic University) 응용물리학과 연구팀은, 그래핀 전극을 활용하여 저렴하면서도 효율적인 반투명 페로브스카이트 태양전지를 개발하는데 성공하였다 ("Efficient Semitransparent Perovskite Solar Cells with Graphene Electrodes,"). 이 독특한 소재는 불소가 도핑된 산화주석 하부전극(Fluorine-doped Tin Oxide bottom electrode) 혹은 그래핀 상부전극(graphene top electrode)을 사용할 때 에너지 전환 효율(power conversion efficiency)은 약 12% 정도로, 기존의 반투명성 태양전지의 7%를 크게 능가한다. 와트당 생산 단가는 $0.5(홍콩달러)로, 기존의 실리콘 태양전지에 원가와 비교해 볼 때 50% 이상 저렴하기 때문에 향후 널리 활용될 것으로 기대되고 있다.
태양에너지는 중요한 재생에너지원으로, 그 중 태양전지는 빛 에너지를 광발전 효과를 이용해 직접적으로 전기로 변환시키는데 사용될 것이다. 제 1세대 결정성 실리콘 태양광 패널은 매우 안정적이며 효율적인 에너지 변환이 가능하지만, 불투명하고 값이 비싸다. 박막 태양전지라 불리는 2세대 태양전지는 무게 면에서 가볍고 유연하다. 그러나 복잡한 구조와 고온 처리가 필요하며 희귀물질을 이용해 제조되는 단점이 있다.
높은 에너지 변환 효율, 용이한 제조 및 저렴한 원가를 모두 갖춘 태양광 패널을 제조하려는 최근의 연구 노력들을 통해, 과학자들은 3세대 태양전지를 개발하고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 독특한 3세대 태양전지로, 높은 에너지 변환 효율, 편리한 제조 공정 및 잠재적으로 저렴한 제조원가라는 특징으로 인해 최근 많은 관심을 끌어왔다.
반투명 태양광 패널의 에너지 변환 효율을 향상시키고 원가를 감소시키기 위해, 홍콩 이공대학 연구팀은 그래핀을 전극으로 사용한 최초의 반투명 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다. 그래핀은 높은 투명도, 뛰어난 전도도 및 낮은 제조원가가 가능하기 때문에 태양전지의 투명 전극에 이상적인 물질이다. 태양전지의 반투명 특성은, 전지의 양면 모두에서 빛을 흡수할 수 있도록 해 주기 때문에, 창문, 건물의 벽면, 지붕창 및 지붕에 사용되어 태양에너지를 전기로 변환시킴으로써 태양 에너지를 실질적으로 포획할 수 있는 표면적을 넓혀주는 역할을 한다.
비록 그래핀이 개발된 것은 10년도 더 되었지만, 연구팀의 독창적이면서도 단순한 가공기술은 그래핀의 전도성을 향상시켜 태양전지에 활용하는데 필요한 요구사항을 충족시킬 수 있도록 하였다.
첫째, 그래핀의 전도성은 전도성 고분자인 poly-(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)를 얇은 층으로 코팅함으로써 크게 향상시킬 수 있었다. 이 물질은 라미네이션 공정(lamination process) 동안에 페로브스카이트 활성층에 접합층으로도 사용된 물질이다.
둘째, 에너지 변환 효율을 더욱 향상시키기 위해, 연구팀은 상부 투명 전극으로서 그래핀을 화학증기증착(chemical vapor deposition) 기법을 통해 여러 층으로 코팅하는 방법을 사용하였다. 전극의 면저항(sheet resistance)은 더욱 감소하지만 높은 투명도는 그대로 유지할 수 있다.
마지막으로, 이 발명품의 성능을 추가적으로 최적화하기 위해 상부 그래핀 전극와 페로브스카이트 필름의 정공 수소층(hole transport layer, spiro-OMeTAD)의 접촉을 개선하였다.
그래핀의 뛰어난 기계적 유연성과 제조의 용이성으로 인해, 홍콩 이공대학 연구팀의 발명품은 인소 혹은 롤-투-롤 공정(roll-to-roll process)을 통해 반투명 페로브스카이트 태양전지의 대량생산이 가능하다. 이 반투명 태양전지는 현재 시장에서 우위를 차지하고 있는 기존 태양전지가 점유하지 못한 분야에까지 침투할 것으로 기대된다.
그림> 그래핀 전극을 이용한 반투명 페로브스카이트 태양전지
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 9월 11일]
[원문보기]
Novel efficient and low-cost semitransparent perovskite solar cells with graphene electrodes
Developing transparent or semitransparent solar cells with high efficiency and low cost to replace the existing opaque and expensive silicon-based solar panels has become increasingly important due to the increasing demands of the building integrated photovoltaics (BIPVs) systems.
The Department of Applied Physics of The Hong Kong Polytechnic University (PolyU) has successfully developed efficient and low-cost semitransparent perovskite solar cells with graphene electrodes ("Efficient Semitransparent Perovskite Solar Cells with Graphene Electrodes,"). The power conversion efficiencies (PCEs) of this novel invention are around 12% when they are illuminated from Fluorine-doped Tin Oxide bottom electrodes (FTO) or the graphene top electrodes, compared with 7% of conventional semitransparent solar cells. Its potential low cost of less than HK$0.5/Watt, more than 50% reduction compared with the existing cost of Silicon solar cells, will enable it to be widely used in the future.
Solar energy is an important source of renewable energy, in which solar cell will be used to convert light energy directly into electricity by photovoltaic effect. The first generation crystalline silicon solar panel is highly stable with efficient energy conversion, but opaque and expensive. The second generation solar cell, namely thin film solar cell, is light in weight and can be made flexible. However, they are made of rare materials with complicated structure and need high temperature treatments.
With the research objectives of producing solar panels of high PCEs, easy fabrication, and low cost, in recent years, scientists have been investigating third generation solar cells. Perovskite solar cell as a novel third generation solar cell has attracted much attention recently due to its high power conversion efficiency, convenient fabrication process and potentially low cost.
With the aim of improving PCEs and reducing costs of semitransparent solar panels, PolyU researcher has developed the first-ever made semitransparent perovskite solar cells with graphene as electrode. Graphene is an ideal candidate for transparent electrodes in solar cells with high transparency, good conductivity and potentially low cost. The semitransparent feature of the solar cell enables it to absorb light from both sides, and can be widely used in windows, facades, louvers and rooftops of buildings for converting solar energy into electricity, thus increasing the surface area for collecting solar energy substantially.
While graphene as an advanced material was invented more than 10 years ago, PolyU innovated simple processing techniques for enhancing the conductivity of graphene to meet the requirement of its applications in solar cells.
Firstly, the conductivity of graphene was dramatically improved by coating a thin layer of conductive polymer poly-(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), that was also used as an adhesion layer to the perovskite active layer during the lamination process.
Secondly, to further improve the efficiency of power conversion, PolyU researcher found that by fabricating the solar cell with multilayer chemical vapor deposition graphene as top transparent electrodes, the sheet resistance of the electrode could be further reduced while maintaining the high transparency of the electrodes. Lastly, the performance of this novel invention is further optimized by improving the contact between the top graphene electrodes and the hole transport layer (spiro-OMeTAD) on the perovskite films.
Because of the excellent mechanical flexibility of graphene and the convenient preparation of the devices, PolyU's invention can be used for the mass production of the semitransparent perovskite solar cells with printing or roll to roll process. The semitransparent solar cells will fill the gap in the market which is not achievable by the existing solar cells dominating the market.
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