'페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지' 세상 제일 쉽게 설명 드림.

 

페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지란? 

 

 

  '페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지'가 무엇인지부터 알아야겠죠. 태양전지인데 '탠덤(Tandem)'구조라는 뜻이에요. 탠덤이란 '복수의 층(연속된 배열)'을 의미하는데요. 즉, 일반 태양전지는 하나의 태양전지만 들어가있었다면, 탠덤구조는 두 개 이상의 태양전지가 배열되어있다는 뜻이에요. 이제는 해석하기 쉽겠죠. 페로브스카이트 태양전지 + 실리콘 태양전지가 함께 들어가있기 때문에 '페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지'라고 부르는 것입니다.

 

 

 

정리 

페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지 : 탠덤(페로브스카이트 + 실리콘) for 태양전지

* 탠덤(Tandem) : 복수의 층 > 예시 : 페로브스카이트 태양전지 + 실리콘 태양전지 ]

 

 

그럼, 왜 탠덤구조가 주목받는 것일까? 

 

  왜 두 개의 태양전지를 한 곳에 합친 것(탠덤구조)일까요? 바로 광전변환효율이 더 높기 때문이에요. 광전변환효율이란 이름 그대로 광(태양 빛)을 전기로 변환하는 효율성을 의미해요. 태양전지의 역할 그대로이죠. 태양빛을 받아 전기를 생산하는 것이 목적이니깐요. 페로브스카이트 + 실리콘 태양전지를 합치면 이 광전변환효율이 높아집니다. 이론상으로는 한계효율이 44%까지 올라갈 수 있다고 해요. 즉, 태양빛이 100이 들어오면, 44를 전기로 생산할 수 있다는 것이죠. 반면, 일반 실리콘 태양전지는 29%가 최대 한계효율입니다. 

 

 

  페로브스카이트와 실리콘 태양전지가 시너지를 낼 수 있는 이유는 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하기 때문이에요. 빛은 파장의 길이에 따라 다른 기능을 하는데요. 무지개만 보더라도 파장이 긴 쪽은 '빨간색'으로 보이고 짧은 쪽은 보라색으로 보이죠. 페로브스카이트 태양전지는 상대적으로 짧은 파장대(단파장)를 잘 흡수해요. 반면, 실리콘 태양전지는 긴 파장대(장파장)을 잘 흡수하죠. 단파장, 장파장 모두 흡수할 수 있는 태양전지들이 있으니 광전변환효율이 높은 것은 자연스러운 일이겠죠.  

 

정리

광전변환효율 : 효율 from 광 to 전기 

* 이론 한계효율 : 탠덤구조(44%) vs. 단층구조(29%)

 

페로브스카이트 태양전지란? 

 

  페로브스카이트 태양전지에 대해서 좀 더 알아보죠. 페로브스카이트는 이름에서 분위기가 나듯이 러시아의 한 과학자 이름에서 따왔어요. 그 과학자의 이름은 '레프 페브로스키'입니다. 한 탐험가가 러시아 근처 우랄산맥에서 특이한 구조를 가진 광물을 발견했는데요. 그를 기리기 위해서 그의 이름을 딴 것이죠. 그의 이름 '페로브스키' + '이트(-ite)'를 붙여서 페로브스카이트가 된 것이죠. 참고로, 이트(-ite)'는 접미사로 '광물'을 뜻할 때 주로 붙여서 써요. 예를 들면, 할라이트(Halite, 소금광물), 마그네사이트(Magnesite, 탄산마그네슘 광물)이 있죠. 

 

정리

페로브스카이트 :  '페로브스키(러시아 과학자)' + 이트(-ite, 광물)' > 뜻 : 한 특이한 구조의 광물 

 

  페로브스카이트의 특이한 구조를 'ABX3'라고 불러요. A는 '큰 양이온', B는 '작은 양이온', X는 '음이온'이죠. 양이온은 정공을 이동, 음이온은 전하를 이동시키죠. 전하와 정공이 이동할 때, 전기가 만들어지는 것이고요. 다른 것과 별 차이가 없어보이지만, '확장성'면에서 큰 차이가 납니다. 

 

  페로브스카이트는 특이하게 '유기물+무기물' 조합이 가능해요. 예를 들면, ABX3 구조에서 A(큰 양이온)가 유기물, B(작은 양이온)와 X(음이온)가 무기물이죠. 반대로 생각해보면, 특별하다는 것을 알 수 있는데요. 실리콘 태양전지에서 '실리콘'은 무기물입니다. 모래(규소)가 원재료이니깐요. 반면, 페로브스카이트는 유기물인 메틸암모늄을 사용하죠.

 

 

  유기물이 들어가면 큰 장점이 있습니다. 예를 들면, '1) 유연성+투명성, 2) 가벼움, 3) 높은 광전효율, 4) 구조적 안정성'을 제공하죠. 유기물은 살아있는 생물체에서 왔기 때문에 금속 처럼 딱딱하지 않습니다. 유연하고 가볍죠. 그래서, 페로브스카이트 태양전지는 다른 태양전지들보다 훨씬 가볍습니다. 뿐만 아니라 유연한 유기물이 단단하게 무기물들을 구조적으로 잡아주기 때문에 가볍지만 안정적이기까지하죠. 

 

  길게 설명했지만, 결국 페로브스카이트는 유기물과 무기물 조합으로 광전환효율 뿐만 아니라 가벼움, 유연성, 구조적 안정성까지 갖춘 3세대 태양전지에요. 빛을 받으면 페로브스타이트 안에서 전자가 활성화가 되고 이동을 하죠. 전자가 떠난 자리에 정공이 생기게 되고 정공 역시 외부회로를 통해 이동을 하게됩니다. 앞서 설명했듯 전자와 정공이 이동하기 시작하면 전기가 만들어집니다. 간단하죠.

 

정리 

ABX3 : A(큰 양이온, 유기물) + B(작은 양이온, 무기물) + X(음이온, 무기물)

* 유기물+무기물 장점 : 1) 높은 광전변환효율, 2) 유연성+투명성, 3) 가벼움, 4) 구조적 안정성 

 

 

마지막으로 탠덤구조를 조망해볼까요? 

 

  탠덤구조는 '복수의 층'을 의미한다고 했죠.  '페로브스카이트 태양전지' + '실리콘 태양전지'가 한 곳에 있기에 '페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지'라고 부른다고 했어요. 페로브스카이트의 특이한 구조(ABX3) 덕분에 가볍고 유연하지만 광전환효율까지 우수하다고 설명했어요. 실리콘 태양전지는 PN 접합으로 마찬가지로 빛을 받으면 전자와 정공이 이동하면서 전기가 발생하는 원리인데요. 자세한건 다음에 알아봐요. 

 

  아무튼, 페로브스카이트와 실리콘 태양전지의 시너지는 각기 다른 파장대를 흡수한다는 것이었어요. 단파장은 페로브스카이트가 흡수하여 전기를 만들어요. 장파장은 실리콘 태양전지가 흡수하여 전기를 발생시키죠. 아래 그림을 보면 더 이해하기 쉬울 것이에요. 무지개 색깔을 띤 빛이 잘 들어올 수 있도록 산화물 투명전극이 먼저 반겨줘요. 투명으로 하는 이유는 빛이 잘 흡수되기 위함이죠. 페로브스카이트에 빛이 닿으면 전자와 정공이 분리가 되겠죠. 전자수송층(ETL)이 전자를 가두고 정공수송층(HTL)이 정공을 가둡니다. 그리고, 각자 전극을 통해 전자와 정공이 이동하며 전기가 발생하는 것이죠. 

 

 

  단파장(짧은 파장)이 페로브스카이트에서 흡수되면 남은 것은 장파장(긴 파장)이겠죠. 실리콘 태양전지가 반겨줍니다. 장파장을 흡수하여 PN접합의 원리로 전자와 정공 역시 분리되어 전기가 발생하는 것이죠. 

 

  정리해보면, 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지는 두 개의 태양전지를 한 몸에 품고 있어요. 페로브스카이트와 실리콘 태양전지이죠. 페로브스카이트는 단파장을 흡수, 실리콘은 장파장을 흡수합니다. 단~장파장을 모두 흡수하기에 광전변환효율은 어느 태양전지보다 높을 수 밖에 없죠. 그래서, 차세대 태양전지로 가장 주목받는 것이 페로브스카이트 실리콘 탠덤 태양전지인 것입니다.