[논문 리뷰] Flexible perovskite/Cu(In,Ga)Se2 monolithic tandem solar cells

Fan Fu, Shiro Nishiwaki외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 24.

Perovskite Materials and ApplicationsEngineering참고 문헌 20인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 30-µm 폴리이미드 필름 기반으로 유연하고 이단계의 페로브스카이트/Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 단일 구조 태양전지에서 표준 조건 하에 안정된 전력 변환 효율 13.2%와 1.75 V를 초과하는 개방 회로 전압을 달성함으로써, 용액 공정 페로브스카이트와 진공 증착 CIGS 흡수체를 포함한 단일 구조 이단 태양전지에서 경량, 유연하고 고효율 광전지로의 향한 핵심 단계를 제시한다.

ABSTRACT

We report a proof-of-concept two-terminal perovskite/Cu(In, Ga)Se2 (CIGS) monolithic thin-film tandem solar cell grown on ultra-thin (30-microns thick), light-weight, and flexible polyimide foil with a steady-state power conversion efficiency of 13.2% and a high open-circuit voltage over 1.75 V under standard test condition.

연구 동기 및 목표

• 페로브스카이트 및 CIGS 흡수체를 사용한 유연하고 경량이며 고효율의 이단 태양전지를 개발하는 것.
• 초박막 폴리이미드 필름에 페로브스카이트 및 CIGS 부분 셀을 단일 구조로 통합하여 기계적 유연성을 확보하는 것.
• 이중 단자 이단 구성에서 고개방 회로 전압과 높은 전력 변환 효율을 달성하는 것.
• 유연하고 전면 박막 이단 태양전지의 실현 가능성을 검증하여 차세대 광전지 응용 분야에 기여하는 것.

제안 방법

• 30-µm 두께의 폴리이미드 필름 기반으로 페로브스카이트 상부 셀과 CIGS 하부 셀을 사용한 이중 단자 단일 구조 이단 태양전지의 제조.
• 플레인어 헤테로제너선 구조를 갖춘 용액 공정 페로브스카이트(CH3NH3PbI3)를 상부 흡수체로 사용.
• ZnS 창층과 ZnO 전자 이동층을 갖춘 공증착을 통한 CIGS 흡수체 증착.
• 서브셀 간 단일 터널 접합을 위한 투명 도전 산화막(TCO) 및 재결합층 통합.
• 굽힘 가능성을 확보하기 위해 도전성, 경량, 초박막 폴리이미드 필름을 탄성 기반재로 활용.
• 표준 AM 1.5G 조명 조건 하에서 전력 변환 효율과 전압 출력을 측정하기 위해 특성 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박막 폴리이미드 필름에 유연하고 이중 단자 페로브스카이트/CIGS 단일 구조 이단 태양전지를 성공적으로 제조할 수 있는가?
• RQ2 이러한 유연한 이단 구조에서 달성 가능한 전력 변환 효율과 개방 회로 전압은 얼마인가?
• RQ3 경량 기반재에 고정된 유연한 기반에서 페로브스카이트 및 CIGS 서브셀의 단일 구조 통합이 표준 시험 조건에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 경량 유연한 플랫폼에서 합리적인 효율을 달성하면서도 고전압 출력을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 유연한 페로브스카이트/CIGS 이단 태양전지는 표준 AM 1.5G 조명 조건 하에서 안정된 전력 변환 효율 13.2%를 달성했다.
• 장치는 1.75 V의 개방 회로 전압을 나타내었으며, 개별 서브셀 전압의 합을 크게 초월하여 효과적인 단일 구조 통합을 시사했다.
• 30-µm 두께의 폴리이미드 필름 사용이 기계적 유연성을 확보하면서도 장치 성능을 유지하는 데 기여했다.
• 이단 구조는 표준 시험 조건 하에서 안정된 성능을 보였으며, 단일 구조 설계의 실현 가능성을 입증했다.
• 이중 단자 구성에서 전력 출력이 확보되어 페로브스카이트 및 CIGS 서브셀이 경량 기반재에 단일 구조 이단 구조에서 상호 호환됨을 확인했다.
• 결과는 용액 공정 페로브스카이트와 진공 증착 CIGS를 사용한 경량 유연 고효율 이단 태양전지의 개념 증명으로서의 의미를 지닌다.