페로브스카이트 태양전지의 문제점 (1) - 히스테리시스 현상

페로브스카이트 태양전지 - 히스테리시스 현상

 

페로브스카이트 태양전지의 문제점 

 

페로브스카이트(Perovskite) 태양전지는 지난 몇 년 동안 폭발적인 연구를 통해 전례없는 효율의 향상을 보여왔습니다. 태양전지의 가장 중요한 성능인 효율 측면에서의 발전은 지속적으로 이루어 졌지만, 소자의 성능 향상과 연관지을 수 있는 광전자적 및 물리화학적 특성에 대한 기본적인 이해가 부족한 상황입니다. 따라서 소자의 성능 또는 소자에서 발생하는 여러 광전기화학적인 해석 수준과 소자의 효율 수준이 동일하게 일치하지 않았다는 문제점이 있습니다.

 

 페로브스카이트 태양전지 소자의 효율 개선 양상을 보면 전망은 충분히 밝지만 여전히 해결해야 되는 문제들이 있습니다. 특히 페로브스카이트 태양전지의 효율 측정 중 관찰할 수 있는 전압/전류의 히스테리시스 현상, 효율적인 대면적 소자(모듈)의재현성 개선, 열 및 습기에 대한 장기 안정성과 같은 문제를 해결해야 하고 독성이 강한 Pb을 대체할 수 있는 고효율 페로브스카이트 물질의 발굴과 같은 많은 도전 과제들이이 여전히 남아있습니다. 앞서 언급한 여러가지 문제 중 히스테리시스 현상과 장기 안정성 문제는 상용화를 위해 가장 시급하게 해결해야 될 문제로 알려져 있습니다. 이를 해결하지 못한다면 대면적 페로브스카이트 태양전지의 양산조차 시도할 수 없기 때문입니다.

 

태양전지의 히스테리시스 현상

 

 히스테리시스 현상이 나타날 때의 I-V 곡선(A)과 일어나지 않을때의 I-V 곡선(B)

 

 페로브스카이트 태양전지의 히스테리시스는 위의 그림에 나타낸 바와 같이, 태양전지의 효율 측정 시 I-V 스캔의 방향과 속도에 따라 발생되는 전압 및 전류 응답 곡선이 일치하지 않고 차이가 발생하는 현상입니다. 즉, 전압을 + 방향(Voc에서 Jsc)으로 증가시키면서 발생되는 전류와 - 방향(Jsc에서 Voc)으로 감소시키면서 발생되는 전류의 양상이 다르다는 뜻입니다. 이는 가역적인 현상으로, 이러한 가역 히스테리시스는 MAPbI3 기반의 모든 구조의 페로브스카이트 소자(일반 및 반전)에서 나타난다는 것이 다수의 연구진에 의해 보고되었습니다. 이러한 히스테리시스는 페로브스카이트 태양 전지의 효율과 실제 장기적인 장치의 동작 안정성에 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를들어 정밀한 전압/전류를 사용해야하는 장치에 이러한 페로브스카이트 태양전지를 적용하여 전원으로 사용한다면 전류 - 전압 (I-V) 히스테리시스 효과로 인해 전압이 감소 또는 증가하는 방향에 따라 장치의 응답 특성이 변화할 수 있기 때문입니다. 따라서, 이러한 문제의 해결을 위해 히스테리시스의 메커니즘과 그 원인을 이해하는 것은 매우 중요한 연구 과제라고 볼 수 있습니다.

 

페로브스카이트 태양전지에서 일어나는 히스테리시스 현상의 원인에 대한 모식도

 아직 히스테리시스 현상의 근원에 대해서는 여전히 명확히 밝혀지지 않았지만, 히스테리시스 현상과 그 원인을 설명하기 위해 여러 메커니즘이 제안되었습니다. 특히 위의 그림과 같이 대략 4가지 정도 요인에 의해 페로브스카이트 태양전지의 히스테리시스 현상을 제어할 수 있는 것으로 추측됩니다.

 

(i) 강유전체 분극

(ii) 이온 이동

(iii) 전하 트래핑

(iv) 캐패시터 효과

 

 제안된 각각의 요인들에 대해 좀 더 자세한 내용을 알고 싶으면 2016년 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 저널에 출판된 문헌(Hysterisis in organic-inorganic hybrid perovskite solar cells)을 참고하길 바랍니다.

 

 히스테리시스 현상이 발생하는 페로브스카이트 태양전지는 측정 환경에 따라 부정확한 효율이 측정될 수 있기 때문에 I-V 곡선의 측정시간 동안 히스테리시스 현상이 발생하지 않도록 주의를 기울여야합니다. 이 문제를 해결하기 위해 최근 페로브스카이트 태양전지의 정확한 특성평가를 위한 방법에 대한 논문이 발표되었습니다. 해당 논문에서는 AIST, Fraunhofer ISE 및 NREL 등과 같은 널리 알려진 태양전지 측정 실험실에서 따르는 모범 사례 및 측정 표준과 기술에 대해 설명하였습니다.

 

제시된 표준 프로세스를 간단히 요약하면 (1) 소자의 정확한 면적을 측정하고 적절한 마스킹을 하는것과 (2) 광원의 정확한 검교정을 전제로 (3) 정상상태에서 Jsc 및 Voc를 결정하고 동시에 안정성을 모니터링하는 단계, (4) 다양한 스캔 속도에서 정방향 및 역방향으로 I-V 곡선을 측정하는 단계, (5) Pmax(최대전력점) 근처의 여러 상이한 전압에서 정상 상태의 광전류를 측정하는 단계, (6) IPCE 데이터를 통합함으로써 Jsc를 계산하는 단계와 (7) 최종적으로 다수 측정 샘플 세트에 대한 통계 분석 수행하는 단계로 이루어집니다.

 

내용 및 사진 출처

 

Hysterisis in organic-inorganic hybrid perovskite solar cells (Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2016)