블로그

Jul 13, 2023

NSF CAREER Awardee는 가볍고 낮은 기술을 발전시켰습니다.

태양 에너지는 미국이 다음 목표를 달성하는 데 핵심적인 역할을 하게 될 것입니다.

태양 에너지는 미국이 2050년까지 탄소배출 제로 경제 목표를 달성하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다. 주로 실리콘과 카드뮴 텔루르화물로 만들어진 기존 태양광 패널 외에도 페로브스카이트 광전지가 일부가 될 가능성이 높습니다. 해결책.

"페로브스카이트 기반 광전지는 신문처럼 인쇄할 수 있고 전통적인 광전지 기술에 사용되는 재료의 극히 일부만 필요하기 때문에 매우 흥미롭습니다."라고 화학 및 환경 공학 조교수인 Adam Printz가 말했습니다. "재료 사용량을 줄이면 비용과 낭비가 줄어듭니다. 즉, 장기적으로 페로브스카이트 기반 광전지가 현재 기술을 대체할 매력적인 대안이라는 뜻입니다."

페로브스카이트는 두께가 수백 나노미터에 불과하거나 사람 머리카락 너비의 약 1%에 불과한 초박형이며 유연한 플라스틱 기판에 인쇄할 수 있습니다. 즉, 휴대성과 무게가 재난을 비롯한 주요 설계 요소인 응용 분야에 사용할 수 있습니다. 구호, 항공, 우주탐사, 의료용 휴대용 센서 등을 다루고 있습니다. 그러나 페로브스카이트 광전지는 여전히 화학적, 기계적 불안정성을 나타내기 때문에 아직 상업적으로 실행 가능하지 않으며, 이로 인해 다른 기술보다 더 빨리 성능이 저하되고 작동이 중단됩니다. 이러한 불안정성의 원인은 정확히 무엇이며 페로브스카이트 성능을 향상시키기 위해 이를 완화할 수 있는 방법은 무엇입니까?

국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 $500,000의 CAREER 상을 받은 Printz는 그 문제를 해결하려고 합니다. 동시에 그는 새로운 세대의 과학자들을 교육하기 위해 비디오 시리즈와 재생 에너지 부전공을 시작하기 위해 노력하고 있습니다.

결함이 발생하는 이유와 위치 이해

"페로브스카이트"라는 단어는 원래 19세기 초에 처음 발견된 결정 구조 ABX3를 갖는 광물을 지칭했습니다. 요즘 이 단어는 "메탈 할라이드 페로브스카이트 기반 광전지" 또는 ABX3 결정 구조를 갖고 광전도성 및 잉크로 만들 수 있는 능력과 같은 특성을 제공하는 실험실에서 만든 재료를 가리키는 약칭으로도 사용됩니다.

ABX3 결정 구조에서 A는 양이온 또는 양전하 이온, B는 금속(일반적으로 납 또는 주석), X는 할로겐화물(음이온 또는 음전하 이온으로 기능하는 원자 유형)입니다. . 이들 모두를 용제에 용해시켜 잉크를 만들며, 이 잉크는 신문에 잉크를 인쇄하는 것과 유사하게 유연한 플라스틱 기판에 인쇄할 수 있습니다. 생성된 필름은 가열되어 용매가 증발하고 페로브스카이트가 결정화될 수 있습니다.

필름이 냉각됨에 따라 페로브스카이트는 자연스럽게 기판 재료보다 더 많이 수축하는 경향이 있습니다. 그러나 필름과 기판이 부착되어 있기 때문에 페로브스카이트는 기판에 닿는 부분에서 덜 수축됩니다. 테니스 네트의 중앙은 정지 상태에 더 가깝기 때문에 약간 처지지만 측면에서는 기둥에 의해 지탱되기 때문에 더 높게 위치하는 것을 생각해 보십시오. 페로브스카이트의 자연 격자 패턴(예: 테니스 네트 중앙)과 기판과 직접 접촉하는 패턴(예: 테니스 네트 측면) 사이의 차이로 인해 변형이 발생하여 격자 변형 구배가 형성됩니다.

"우리는 격자 변형이 문제가 있고 불안정성을 유발할 가능성이 있다는 것을 알고 있습니다"라고 Printz는 말했습니다. "우리는 또한 이러한 필름에 수직 변형률 구배가 있다는 것을 알고 있습니다. 이는 변형률의 양이 필름 상단과 필름 하단에서 다르다는 것을 의미합니다. 지금까지 이러한 변형률 기울기를 안정성과 연관시킨 사람은 아무도 없으며, 어떻게 이러한 구배가 페로브스카이트 필름 전체에 걸쳐 서로 다른 결함 밀도를 초래하는지."

결함 제거 및 변형 조절

비록 그 행동이 완전히 이해되지는 않았지만 이러한 결함을 완화하는 알려진 방법 중 하나는 첨가제라고 불리는 유기 물질을 페로브스카이트 필름에 통합하는 것입니다.

"첨가제는 기본적으로 결함을 해결하고 방정식에서 이를 제거합니다"라고 Printz는 말했습니다. "우리는 이러한 첨가제를 사용하여 결함을 공격할 뿐만 아니라 페로브스카이트 재료에서 변형이 조절되도록 하여 잠재적으로 원자를 떼어내거나 함께 밀고 다른 특성과 안정성을 얻을 수 있도록 노력할 것입니다. "