한 번 덧없는 것으로 여겨졌던 새로운 태양광 기술은 지속적인 힘을 증명합니다.

한 번 덧없는 것으로 여겨졌던 새로운 태양광 기술은 지속적인 힘을 증명합니다.
30년 수명의 페로브스카이트 태양 전지 및 장거리 테스트를 위한 새로운 접근 방식
날짜:
2022년 6월 16일
원천:
프린스턴 대학교, 엔지니어링 스쿨
요약:
연구원들은 상업적으로 실행 가능한 수명을 가진 최초의 페로브스카이트 태양 전지를 개발했으며, 이는 신흥 재생 에너지 기술의 주요 이정표를 표시합니다. 팀은 그들의 장치가 약 30년 동안 산업 표준 이상의 성능을 낼 수 있다고 예상합니다.

Princeton Engineering의 연구원들은 상업적으로 실행 가능한 수명을 가진 최초의 페로브스카이트 태양 전지를 개발했으며, 이는 신재생 에너지 기술의 부상하는 주요 이정표입니다. 팀은 그들의 장치가 약 30년 동안 산업 표준 이상의 성능을 낼 수 있다고 예상합니다.

이 장치는 내구성이 높을 뿐만 아니라 일반적인 효율성 표준도 충족합니다. 1954년 출시된 이후 시장을 지배해 온 실리콘 기반 셀의 성능에 필적하는 최초의 제품입니다.

페로브스카이트는 특별한 결정 구조를 가진 반도체로 태양 전지 기술에 매우 적합합니다. 실리콘보다 훨씬 적은 에너지를 사용하여 실온에서 제조할 수 있어 생산 비용이 저렴하고 지속 가능합니다. 실리콘은 뻣뻣하고 불투명한 반면, 페로브스카이트는 유연하고 투명하게 만들어 미국 전역의 언덕과 지붕을 채우는 상징적인 패널 너머로 태양광 발전을 확장할 수 있습니다.

그러나 실리콘과 달리 페로브스카이트는 취약하기로 악명이 높습니다. 2009년에서 2012년 사이에 만들어진 초기 페로브스카이트 태양 전지(PSC)는 단 몇 분 동안 지속되었습니다. 새 장치의 예상 수명은 2017년에 낮은 효율 PSC로 설정한 이전 기록보다 5배 증가한 것입니다. (이 장치는 실온에서 1년 동안 연속 조명 하에서 작동했습니다. 새 장치는 5년 동안 작동할 것입니다. 유사한 실험실 조건.)

Lynn Loo, Theodora D. '78 및 William H. Walton III '74 공학 교수가 이끄는 Princeton 팀은 Science 지에 6월 16일 발표된 논문에서 새로운 장치와 이러한 장치를 테스트하는 새로운 방법을 공개했습니다 .

Loo는 기록적인 디자인이 특히 실리콘의 한계를 넘어 태양 전지 기술을 추진하는 방법으로서 PSC의 내구성 잠재력을 강조했다고 말했습니다. 그러나 그녀는 또한 헤드라인 결과를 넘어서 그녀 팀의 새로운 가속 노화 기술을 작업의 더 깊은 의미로 지적했습니다.

그녀는 "오늘 기록을 세울 수도 있지만 내일은 다른 누군가가 더 나은 기록을 가지고 올 것입니다. 정말 흥미로운 점은 우리가 이제 이러한 장치를 테스트할 수 있고 이 장치가 어떻게 작동할지 알 수 있다는 것입니다."라고 말했습니다. 장기간."

페로브스카이트의 잘 알려진 취약성으로 인해 장기 테스트는 지금까지 큰 문제가 되지 않았습니다. 그러나 장치가 더 좋아지고 더 오래 지속됨에 따라 내구성 있고 소비자 친화적 인 기술을 출시하는 데 한 디자인을 다른 디자인과 테스트하는 것이 중요해질 것입니다.

"이 논문은 효율성과 안정성의 교차점에서 성능을 분석하고자 하는 모든 사람을 위한 프로토타입이 될 것입니다."라고 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 선임 연구원이자 태양 전지 물리학을 전문으로 하는 조셉 베리(Joseph Berry)는 말했습니다. 이 연구에 참여했습니다. "안정성을 연구하기 위해 프로토타입을 만들고 [가속 테스트를 통해] 외삽할 수 있는 것을 보여줌으로써 대규모 현장 테스트를 시작하기 전에 모두가 보고 싶어하는 작업을 수행하고 있습니다. 이를 통해 정말 인상적인 방식으로 프로젝트를 진행할 수 있습니다."

효율성은 지난 10년 동안 놀라운 속도로 가속화되었지만 이러한 장치의 안정성은 더 천천히 개선되었다고 Berry는 말했습니다. 업계에서 널리 보급되고 출시되기 위해서는 테스트가 더욱 정교해져야 합니다. 바로 여기에서 Loo의 가속화된 노화 과정이 시작됩니다.

"이러한 종류의 테스트는 점점 더 중요해질 것입니다."라고 Loo가 말했습니다. "가장 효율적인 태양 전지를 만들 수는 있지만 안정적이지 않으면 문제가되지 않습니다."

그들이 여기 어떻게 왔는지

2020년 초, Loo의 팀은 상대적으로 강력한 효율성을 유지하는 다양한 장치 아키텍처를 연구하고 있었습니다. 충분한 햇빛을 전력으로 변환하여 가치 있는 것으로 만들고 수명 동안 태양 전지를 덮치는 열, 빛 및 습도의 맹공격에서 살아남았습니다. .

Loo 연구실의 박사후 연구원인 Xiaoming Zhao는 동료들과 함께 여러 디자인 작업을 하고 있었습니다. 가장 취약한 부분을 노출로부터 보호하면서 빛의 흡수를 최적화하기 위해 다양한 재료를 적층했습니다. 그들은 두 가지 중요한 구성 요소인 흡수 페로브스카이트 층과 제2구리 염 및 기타 물질로 만들어진 전하 운반 층 사이에 초박형 캡핑 층을 개발했습니다. 목표는 페로브스카이트 반도체가 그 당시 표준이었던 몇 주 또는 몇 달 만에 소진되는 것을 방지하는 것이었습니다.

이 캡핑 층이 얼마나 얇은지 이해하기 어렵습니다. 과학자들은 두께가 전혀 없는 것과 같이 2차원을 의미하는 2D라는 용어를 사용하여 설명합니다. 실제로, 그것은 단지 몇 개의 원자 두께에 불과합니다. 인간의 눈으로 볼 수 있는 가장 작은 것보다 백만 배 이상 더 작습니다. 2D 캡핑 레이어의 아이디어는 새로운 것은 아니지만 여전히 유망하고 떠오르는 기술로 간주됩니다. NREL의 과학자들은 2D 레이어가 장거리 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었지만 아무도 페로브스카이트를 20년 수명의 상업적 임계값에 가깝게 밀어붙이는 장치를 개발하지 못했습니다.

Zhao와 그의 동료들은 이러한 디자인의 수십 가지 순열을 거쳤으며, 기하학의 미세한 세부 사항을 변경하고, 레이어 수를 변경하고, 수십 가지 재료 조합을 시도했습니다. 각 디자인은 조명 상자로 이동하여 민감한 장치에 끊임없는 밝은 빛을 비추고 시간이 지남에 따라 성능 저하를 측정할 수 있습니다.

그해 가을, 전염병의 첫 번째 물결이 가라앉고 연구원들이 신중하게 조정된 교대로 실험을 하기 위해 실험실로 돌아가자 Zhao는 데이터에서 이상한 점을 발견했습니다. 한 세트의 장치는 여전히 최대 효율 근처에서 작동하는 것처럼 보였습니다.

"거의 반년 후에 기본적으로 제로 드롭이있었습니다."라고 그는 말했습니다.

그제서야 그는 실시간 실험이 허용하는 것보다 더 빠르게 장치를 스트레스 테스트할 방법이 필요하다는 것을 깨달았습니다.

"우리가 원하는 수명은 약 30년이지만 장치를 테스트하는 데 30년이 걸릴 수는 없습니다."라고 Zhao가 말했습니다. "그래서 우리는 합리적인 시간 내에 이 수명을 예측할 수 있는 방법이 필요합니다. 그렇기 때문에 이 가속화된 노화가 매우 중요합니다."

새로운 테스트 방법은 장치에 열을 가하면서 장치를 비추어 노화 과정을 가속화합니다. 이 과정은 수년 간의 정기적인 노출에 걸쳐 자연스럽게 일어날 일을 가속화합니다. 연구자들은 4가지 노화 온도를 선택하고 일반적인 여름날의 기준 온도에서 물의 끓는점보다 높은 화씨 230도의 극한까지 이 4가지 데이터 스트림에 걸쳐 결과를 측정했습니다.

그런 다음 그들은 결합된 데이터에서 외삽하고 실온에서 수만 시간의 연속 조명에 걸쳐 장치의 성능을 예측했습니다. 그 결과 화씨 95도의 평균 온도에서 최소 5년 동안 연속 조명 하에서 최대 효율의 80% 이상을 수행하는 장치가 나타났습니다. 표준 전환 메트릭을 사용하여 Loo는 이것이 뉴저지 주 프린스턴과 같은 지역에서 30년 동안 야외에서 작업한 것과 같은 실험실이라고 말했습니다.

NREL의 Berry도 동의했습니다. "매우 신뢰할 수 있습니다."라고 그는 말했습니다. "일부 사람들은 여전히 ​​그것이 실행되는 것을 보기를 원할 것입니다. 그러나 이것은 예측에 대한 다른 많은 시도보다 훨씬 더 신뢰할 수 있는 과학입니다."

태양전지의 마이클 조던

페로브스카이트 태양 전지는 2006년에 개척되었으며 2009년에 처음으로 장치가 발표되었습니다. 초기 장치 중 일부는 몇 초 밖에 지속되지 않았습니다. 기타 분. 2010년대에는 장치 수명이 며칠, 몇 주, 그리고 마침내 몇 달로 늘어났습니다. 그런 다음 2017년 스위스의 한 그룹이 1년 동안 연속 조명을 지속한 PSC에 대한 획기적인 논문을 발표했습니다.

한편, 이러한 장치의 효율성은 같은 기간 동안 급증했습니다. 첫 번째 PSC는 4% 미만의 전력 변환 효율을 보여주었지만 연구원들은 몇 년 만에 이 수치를 거의 10배 향상시켰습니다. 이것은 과학자들이 지금까지 재생 에너지 기술의 모든 클래스에서 본 것 중 가장 빠른 개선이었습니다.

그렇다면 왜 페로브스카이트를 밀어야 할까요? Berry는 최근의 발전이 결합되어 매우 바람직하다고 말했습니다. 새로운 고효율, 과학자들이 매우 구체적인 응용 프로그램을 만들 수 있게 해주는 놀라운 "조정 가능성", 낮은 에너지 입력으로 로컬에서 제조할 수 있는 능력, 이제 결합된 수명 연장에 대한 신뢰할 수 있는 예측입니다. 다양한 디자인을 테스트하기 위한 정교한 에이징 프로세스.

Loo는 PSC가 실리콘 장치를 너무 많이 대체하여 새로운 기술이 기존 기술을 보완하여 태양 전지판을 지금보다 훨씬 저렴하고 효율적이며 내구성 있게 만들고 태양 에너지를 현대 생활의 새로운 영역으로 확장할 것이라고 말했습니다. 예를 들어, 그녀의 그룹은 최근에 외관을 변경하지 않고 창을 에너지 생성 장치로 바꿀 수 있는 완전히 투명한 페로브스카이트 필름(다른 화학적 성질을 가짐)을 시연했습니다. 다른 그룹은 페로브스카이트를 사용하여 광전지 잉크를 인쇄하는 방법을 발견하여 과학자들이 이제 막 꿈꾸는 폼팩터를 허용합니다.

그러나 Berry와 Loo에 따르면 장기적으로 주요 이점은 페로브스카이트가 실온에서 제조될 수 있는 반면 실리콘은 화씨 약 3000도에서 단조됩니다. 그 에너지는 어딘가에서 나와야 하며, 현재로서는 많은 화석 연료를 태워야 합니다.

Berry는 다음과 같이 덧붙였습니다. 과학자들은 페로브스카이트 속성을 쉽고 광범위하게 조정할 수 있기 때문에 서로 다른 플랫폼이 원활하게 함께 작동할 수 있습니다. 이는 최근 몇 년 동안 크게 발전한 박막 및 유기 광전지와 같은 새로운 플랫폼과 함께 웨딩 실리콘에서 핵심이 될 수 있습니다.

"농구 코트의 마이클 조던과 비슷합니다."라고 그는 말했습니다. "그 자체로도 훌륭하지만 다른 모든 플레이어를 더 낫게 만들기도 합니다."