| 태양전지 별 효율 | 연구실에서 측정된 최대 효율 | 상용화된 태양전지 효율 |
| 단결정 Si 태양전지(1세대) | 26.7% | 20% |
| 박막 Si 태양전지 (2세대) | 14% | 10% |
| GaAs 태양전지 (2세대) | >= 40% | 30% |
| CIGS (2세대 박막 태양전지) | 20.1% | 12% |
| CdTe (2세대 박막 태양전지) | 10% | - |
| 염료감응 태양전지 (3세대 유기 태양전지) | 10% | - |
| 유기분자 태양전지 (3세대 유기 태양전지) | 3~5% | - |
| 페로브스카이트 (3세대 유기 태양전지) | 단결정 Si 태양전지와 비슷 | - |
태양전지 분류
태양전지 시장은 종류에 따라 유기 태양전지와 무기 태양전지
페로브스카이트 태양 전지(perovskite solar cell)
태양 전지의 한 종류로, 페로브스카이트 구조를 가진 물질을 광흡수층으로 사용하는 태양 전지이다. 납이나 주석을 중심 금속으로 하는 유-무기 할로젠화물이 주로 사용된다.
"차세대 태양전지"라고도 부른다.
2016년, 부산대 화학교육학과 진성호 교수는 "페로브스카이브는 실리콘계도, 박막형도 아닌 제3의 태양전지로 가장 최근인 3, 4년 전 개발됐다"며 "높은 효율로 차세대 태양전지 중 가장 각광받고 있다"라고 말했다.
2020년 8월, 미국 정부는 차세대 페로브스카이트 태양전지 연구개발에 2000만달러(약 217억 원)를 지원한다고 발표했다. 미국 에너지부(DOE)는 "페로브스카이트로 만든 태양전지는 성능이 뛰어나고 생산비용은 낮아 잠재력이 높다"며 "다만 페로브스카이트 태양전지가 경쟁력을 갖추려면 연구개발을 통해 지속성과 내구성을 확보해야 한다"며 지원 배경을 설명했다.
2021년 2월 25일, 한국화학연구원 서장원 화학소재연구본부 박사 연구팀이 25.2%의 태양 전지 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지(0.1㎠ 면적 기준)를 개발했다는 논문을 발표했다. 국제학술지 네이처에 표지논문으로 게재됐다. 페로브스카이트 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지 보다 5배 저렴한데, 효율이 낮은 게 문제였다.
실리콘계 태양전지
1세대 실리콘 태양전지, 실리콘계 결정형 태양전지, 태양 전지 효율 25%
2세대 유기박막 태양전지, 실리콘계 박막형 태양전지, 갈륨, 인듐 사용, 태양 전지 효율 22.9%
화합물 반도체 태양전지
3세대 페로브스카이트 태양전지, 페로브스카이트계 박막형 태양전지
발전효율
미국 에너지정보국(EIA)에 따르면 발전효율(2017년 기준) 역시 원전은 92%에 달하는 반면 LNG 등 가스와 석탄은 약 55%, 풍력은 37%, 태양광은 22%에 불과하다.
태양전지의 발전효율을 태양 전지 효율이라고 하는데, 1세대 실리콘계 결정형 태양전지 위에 3세대 페로브스카이트계 박막형 태양전지를 붙이면, 효율이 올라간다. 여기에 집광형 태양 전지를 사용해 집중 조명(143배 집광)을 하면, 발전효율이 더욱 올라간다.
2019년, 태양 전지 효율의 세계 기록은 다중 접합 집광형 태양 전지를 사용하여 달성한 47.1%이며, 미국 콜로라도주 골든의 미국 국립재생에너지연구소가 개발한 것이다.
2020년 4월 14일 국제학술지 네이처 에너지(Nature Energy)에는 미국 재생에너지연구소(NREL)의 새로운 태양전지 개발 연구성과가 실렸다. 연구진이 개발한 태양전지는 집중 조명(143배 집광) 조건에서 47.1%의 효율을, 일반 조명 조건에서 39.2%의 효율을 기록했다. 이는 지금까지 보고된 여러 태양전지 중 가장 높은 기록이다.
10대 혁신기술 '페로브스카이트 태양전지', 대량생산 가능
국내 연구진이 고품질·높은 안정성·저원가의 태양전지 제작
기존 실리콘 태양전지와 비교하여 유연화·경량화가 가능할 뿐만 아니라, 원가가 낮아 높은 경제성 등 많은 장점을 가지고 있는 '페로브스카이트(Perovskite) 태양전지' 모듈의 대량생산을 가능하게 하는 기술을 국내 연구진이 개발했다.
나아가 전자수송소재 나노입자 표면공학(주석 산화물 산성도 조절)을 통한 대면적 모듈 상용화에 획기적인 역할을 할 수 있을 전망이다.
이어 페로브스카이트 태양전지에 대해 "최근에는 2024년 <MIT 테크놀로지 리뷰(Technology Review)>에서 10대 혁신 기술 중 하나로 선정된 바 있다"면서 "최근 10년 동안 기술의 발전을 거듭한 결과, 단위 소자(0.1cm2이하 면적) 기준에서는 기존 실리콘 태양전지 효율에 버금가는 광전 변환 효율(26.1%) 수준을 보여주고 있다"라고 설명했다.
참고로, MIT 테크놀로지 리뷰는 미국 MIT(Massachusetts Institute of Technology)에서 발행하는 기술분석 잡지로, 미래기술 분석과 관련해 가장 저명하고 신뢰성 있는 간행물로 평가받고 있다. 그리고 '광전 변환 효율'은 2024년 4월 National Renewable Energy Laboratory(미국신재생에너지연구소)가 공식적으로 인증한 효율이다.
무엇보다 페로브스카이트 태양전지는 용액공정 기반으로 제작이 가능해 신문을 인쇄하듯 대면적화가 가능한 잠재력을 갖고 있어 전 세계적으로 주목을 받고 있다. 하지만, 단위 소자의 페로브스카이트 태양전지 고효율 기술을 대면적 모듈에 적용하는 데에는 많은 제약과 한계를 가지고 있는 것이 현 상황이다.
과기정통부는 "이런 한계점을 극복하기 위해서는 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 기능성 박막의 고품질 대면적화가 필수적으로 요구되고 있다"면서 "특히, 페로브스카이트 태양전지는 광활성층을 중심으로 위아래로 전자 수송층, 정공 수송층이 적층되어 있는 구조로, 이중 광활성층에서 빛에 의해 발생한 전자를 전극으로 전달하는 '전자 수송층'의 결함을 제어하여 '균일한 대면적 박막'을 만드는 것이 고효율 페로브스카이트 모듈 개발의 핵심 요소 중 하나"라고 강조했다.
또한 기존의 전자 수송층에 사용되는 산화주석 나노입자 분산액의 경우 고효율 페로브스카이트 태양전지 '단위소자' 제작에 있어는 우수한 결과를 보여주었지만, '대면적화 적용 시'에는 낮은 점도로 인해 결함이 제어되지 못해 단위소자의 성능과 큰 효율 차이를 보여 한계점을 갖고 있다고 부연했다.
이에 정의혁 교수·전남중 책임연구원 공동연구팀은 전자 수송층의 산화주석(SnO2) 나노입자 분산액의 산성도를 조절해서 최적의 점도를 확보하고, 전기적 결함을 제어하는 기술을 개발해냈다. 그 결과, 페로브스카이트 태양전지 대면적화의 가능성을 여는 새로운 연구결과를 얻을 수 있었다.
무엇보다 연구팀은 이번에 개발된 기술을 페로브스카이트 모듈 단위에 적용하였을 경우 24.5cm2(mini-module)과 214cm2(sub-module)순으로 면적이 커져도 기존의 단위소자 수준에서의 성능과의 차이가 현저히 줄어드는 성과를 얻었다. 이와 함께 극한 환경(섭씨 85℃ 및 상대습도 85%) 및 실외 자연광 환경 등 다양한 조건에서도 우수한 장기 안정성을 보여주는 것으로 확인할 수 있었다.
정의혁 교수와 전남중 박사는 "이번 연구 성과는 대면적 페로브스카이트 모듈 연구에 있어 전자 수송층의 균일성과 결함 제어가 결정적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다는 점"이라며 "기존 대면적화의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발하여 페로브스카이트 모듈 상용화에 적극적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다"라고 전했다.
나아가 연구팀은 이번 연구를 통해 개발된 '전자 수송층의 균일성 및 결함 제어 기술'은 페로브스카이트 소재 관련 기업으로의 기술 이전을 계획하고 있으며, 추후 대량생산을 통해 상용화가 빨리 진행되도록 힘을 실을 수 있을 것으로 기대하고 있다.
한편, 이번 연구는 과기정통부 나노소재기술개발사업(나노커넥트) 및 개인연구사업(우수신진)의 지원으로 수행했으며, 연구 성과는 국제학술지 <어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials>(IF 27.8)에 7월 6일 자 표지 논문으로 선정됐다.
향후 글로벌 에너지 주연은 ‘신재생에너지’
최근 국내 자동차제조업체와 미국 애플 社 간에 전기차 생산에 대한 업무협의가 진행 중이라고 알려져서 화제가 된 바 있다. 테슬라가 일으킨 전기차 돌풍에 애플도 가세할 정도로 전기차에 대한 관심이 뜨겁다. 블룸버그의 전망에 따르면 세계 전기차 시장이 현재 수백만 대 정도 규모에서 2040년에는 신규 자동차의 30% 이상을 차지하게 될 것이라고 한다. 전기차가 진정한 친환경 운송수단이 되기 위해서는 신재생에너지로 생산된 전기를 사용해야 할 것이며 따라서 향후 태양광을 포함한 신재생에너지에 대한 수요는 급격하게 증가할 것이다.
현재 태양광 산업은 실리콘 태양전지 기술에 의해 주도되고 있으며 실리콘 모듈이 전 세계 시장의 95% 정도를 점유하고 있는 상황이다. 실리콘 태양전지는 1세대 기술로서 기술의 신뢰성과 성숙도가 높고 가격경쟁력도 뛰어나다. 실리콘 기술은 비교적 진입장벽이 낮아 중국이 규모의 경제를 앞세워 전 세계 시장을 주도하고 있다. 한 예로 중국 주요 3사의 셀 생산 규모는 182mm 웨이퍼 기준으로 50GW를 상회할 전망이다. (PV-magazine.com, 2020. 11) 전 세계 연간 태양광 설치규모가 약 120GW 이므로 중국의 공격적인 투자전략을 어렵지 않게 느낄 수 있다.
한국 태양광 산업, 경쟁력 확보가 관건
한국의 태양광 산업이 중국 대비 경쟁력을 확보하기 위해서는 소위 기술적 ‘초격차’를 보유해야 하지만, 실리콘 기술은 비교적 평준화되어 있어서 쉽지 않은 일이다. 2012년에 발표된 페로브스카이트 태양전지는 2020년에 25%를 넘는 효율이 발표되어 크게 주목을 받고 있다. 특히 한국의 과학기술자들이 세계 효율 기록을 경신하는 등 기술적 주도권이 한국에 있는 것으로 보여 한국 태양광 산업의 경쟁력 제고에 열쇠가 될 것으로 기대된다.
(KRICT: 한국화학연구원, UNIST: 울산과학기술원, Korea University :고려대학교)
페로브스카이트는 태양전지 소재로서 요구되는 조건을 거의 완벽하게 갖추고 있다. 광흡수율이 높아서 1 마이크론(micron) 이하의 두께로도 입사광 대부분을 흡수한다. 따라서 유리기판이나 플라스틱 기판에 박막 형태로 코팅하여 대면적 태양전지를 제작할 수 있다. 소위 박막태양전지이며 실리콘 기술 대비 ‘2세대 태양전지기술’로 분류되기도 한다. 플라스틱 기판을 사용하려면 저온 공정이 필수적인데 페로브스카이트는 150℃ 이하에서도 고효율 태양전지 제작이 가능하다. 용액을 사용하여 비진공 상태에서 스핀코팅법으로 제작하는 것이 일반적이므로 저가화에 유리하다. 스핀코팅법은 회전하는 기판 위에 점성이 있는 액체를 일정량 투하하여 액체가 기판 위에서 원심력에 의해 퍼지도록 하는 방법이다. 샘플을 건조한 후 열처리 등 후처리를 적용하는 것이 일반적이다.
플라스틱이나 스테인레스스틸 강판 등 유연기판을 사용하면 응용성 면에서도 유리하지만 생산공정 면에서도 roll-to-roll (R2R) 방법을 적용할 수 있어서 생산단가를 크게 낮출 가능성이 있다. R2R 법은 알루미늄 포일 등 유연소재에 적용하는 방법으로서 소재가 하나의 Roll에서 다음 Roll으로 이동되는 사이에 공정을 수행하는 방식을 의미한다. 셀 및 모듈 생산에 필요한 공간의 크기를 획기적으로 줄일 가능성도 있어서 유망하게 개발되고 있는 기술이다.
2세대 태양전지 기술, 박막태양전지
페로브스카이트 이전에도 상용화가 추진된 박막태양전지 소재가 있다. CIGS (CuInGaSe2 효율 23.4%), CdTe (효율 22.1%), 비정질 실리콘 (a-Si:H, 효율 14.0%), 염료감응태양전지 (dye-sensitized cell, 효율 13.0%) 등이 주요 박막태양전지이며, CIGS와 CdTe는 상용화되어 있으나 시장점유율이 미미한 실정이다. (https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html) 2000년대 초반까지 시장점유율 약 30%까지 확대되던 박막태양전지가 급팽창하는 태양전지시장의 속도를 따라가지 못하고 점유율이 축소된 데에는 다음과 같은 이유가 있는 것으로 보인다.
첫 번째 이유는 효율이다. 태양전지 효율은 전체 시스템의 가격, 나아가서 시스템에서 생산되는 전력의 가격을 결정하는 요소이다. 이전에는 효율보다는 가격, 즉 $/Watt 가 중요했으나 태양전지 가격이 저하됨에 따라 태양전지 외의 요소, 즉 인버터와 프레임 등의 비중이 상대적으로 중요해졌다. 태양전지의 효율이 높으면 그만큼 시스템 설치비용이 낮아지는 효과가 커지는 것이다. 박막태양전지는 실리콘 대비 효율이 낮았기 때문에 모듈 자체의 가격은 낮지만 전체 시스템 설치비용 면에서 불리한 측면이 있다. 두 번째는 기술적 성숙도가 높지 않아서 모듈 양산장비 공급이 원활하지 못했고 따라서 대규모 투자가 빠르게 진행되기 어려운 면이 있었다.
▲광흡수층이 두 개의 전극 사이에 샌드위치되어 있는 구조이며, 레이저스크라이빙으로 구분된 좁고 긴 셀들이 직렬로 연결된 구조이다.
TV 나 노트북 화면으로 사용되는 TFT LCD 패널 8.5 세대의 크기가 2.5x2.2m2 이며 픽셀 크기가 mm 이하인 것을 안다면 박막태양전지 제조기술은 상대적으로 쉽게 보일 수 있다. 박막태양광 패널은 약 5~8mm 폭으로 스크라이빙하여 형성되는 긴 리본 형태의 셀을 상하 전극 (또는 전후면 전극)을 어긋나게 하여 직렬로 연결하는 구조로 제조된다. (그림 2 박막태양광 모듈 단면구조)
전체 셀이 직렬 연결되어 있으므로 박막 태양광 패널은 본질적으로 단일 소자이며 따라서 어느 한 부분이라도 핀홀이나 결함이 있으면 전체 효율이 크게 저하된다. 저가의 기술로 대면적 기판에 5~6층의 박막을 결함 없이 균일하게 코팅하는 것은 고도의 공정제어능력을 필요로 한다. 장비나 공정 비용이 높아지면 그만큼 실리콘 대비 경쟁력이 불투명해지므로 시장에서 살아남기가 어렵다.
페로브스카이트 박막태양전지의 상용화를 위해 소재의 열적, 환경적 안정성을 개선하는 노력과 대면적화에 따른 효율저하 문제를 해결하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 매우 유망한 결과가 보고되고 있다. 페로브스카이트 태양전지가 상용화되려면 위에서 언급된 양산성 이슈도 진지하게 검토되어야 할 것으로 보인다. 1970년대 이후 축적되어 온 태양전지 이론과 기술개발 및 제품화 경험이 잘 결합되면 페로브스카이트 박막태양전지의 상용화가 예상보다 빠르게 올 가능성도 있다.
▲실리콘 탠덤 태양전지 단면 구조. 실리콘 태양전지 위에 박막 페로브스카이트 태양전지를 구현하여 제작한다. 윗면을 통해 입사된 태양광이 페로브스카이트 층에서 일부 흡수되고 나머지 다른 파장대의 빛이 하부 실리콘 태양전지에서 흡수되는 원리이다. (그림 4 참조)
실리콘 태양전지의 효율 한계를 뛰어넘는 ‘페로브스카이트’
페로브스카이트 단일 물질로 제품화하는 것보다 실리콘과 결합하여 실리콘 태양전지의 효율을 높이는 전략이 상용화 가능성이 높다고 보는 관점이 힘을 얻고 있다. 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 중첩시켜 각각 서로 다른 파장대의 태양빛을 흡수하여 전기를 생산하게 하는 방식이다. 소위 탠덤 셀 구조이다. (그림 3 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 단면 구조) 페로브스카이트는 세 가지 이상의 원소가 결합된 화합물이며 각 원소의 조성비에 따라 감응하는 파장대가 달라진다. 이 현상을 이용하면 실리콘이 효율적으로 감응하지 못하는 파장대에 맞춰 페로브스카이트 감응도를 조절할 수 있다. 즉, 페로브스카이트는 단파장대 빛을 흡수하고 실리콘은 페로브스카이트를 통과하는 장파장대의 빛을 흡수하는 방식이다. (그림 4 탠덤 태양전지의 원리) 이렇게 되면 실리콘 태양전지의 이론적 효율한계인 30% 보다 높은 44% 효율이 가능하다.
▲단파장대의 빛은 탑셀에서 흡수되고 탑셀에서 흡수되지 않는 장파장대의 빛이 바텀셀에서 흡수된다.
실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 방법이므로 극복해야 할 기술적 난제가 많다. 두 개의 태양전지를 전기적으로 연결하면서 동시에 광학적으로는 투명한 중간층 개발이 요구되고, 페로브스카이트 제작 공정 및 모듈 제작 공정 전체를 저온에서 수행해야 하므로 신소재와 신공정 개발이 요구된다. 탠덤 구조에 맞게 실리콘 태양전지를 최적화해야 하므로 높은 수준의 실리콘 기술 확보가 필수적이기도 하다.
한화큐셀, 독보적인 기술력으로 ‘글로벌 탑 티어(Top-tier) 기업’ 도약
한국은 고효율 실리콘 기술과 페로브스카이트 기술을 둘 다 가지고 있는 나라이므로 아마도 페로브스카이트/실리콘 탠덤 기술의 상용화에 가장 근접해 있지 않은가 생각한다. 또한, 이것이 중국의 물량공세를 이겨낼 ‘초격차’ 기술을 만드는 방향이 될 것으로 확신한다.
Perovskite Solar Cells
The U.S. Department of Energy Solar Energy Technologies Office (SETO) supports research and development projects that increase the efficiency and lifetime of hybrid organic-inorganic perovskite solar cells, speeding the commercialization of perovskite solar technologies and decreasing manufacturing costs.
What are Perovskite Solar Cells?
Halide perovskites are a family of materials that have shown potential for high performance and low production costs in solar cells. The name “perovskite” comes from the nickname for their crystal structure, although other types of non-halide perovskites (such as oxides and nitrides) are utilized in other energy technologies, such as fuel cells and catalysts.
Perovskite solar cells have shown remarkable progress in recent years with rapid increases in efficiency, from reports of about 3% in 2009 to over 25% today. While perovskite solar cells have become highly efficient in a very short time, a number of challenges remain before they can become a competitive commercial technology.
Research Directions
SETO has identified four primary challenges that must be simultaneously addressed for perovskite technologies to be commercially successful. Each challenge represents a unique set of barriers and requires specific technical and commercial targets to be achieved. The office is supporting projects working to address these challenges through several funding programs, including the SETO FY2021 Small Innovative Projects in Solar (SIPS), SETO 2020 Photovoltaics, and SETO FY20 Perovskite funding programs, as well as the Perovskite Startup Prize.
Learn more about SETO’s perspective on perovskites in our Energy Focus article and our request for information on performance targets.
Stability and Durability
Perovskite solar cells have demonstrated competitive power conversion efficiencies (PCE) with potential for higher performance, but their stability is limited compared to leading photovoltaic (PV) technologies. Perovskites can decompose when they react with moisture and oxygen or when they spend extended time exposed to light, heat, or applied voltage. To increase stability, researchers are studying degradation in both the perovskite material itself and the surrounding device layers. Improved cell durability is critical for the development of commercial perovskite solar products.
Despite significant progress in understanding the stability and degradation of perovskite solar cells, they are not currently commercially viable because of their limited operational lifetimes. Commercial applications outside the power sector may tolerate a shorter operational life, but even these would require improvements in factors such as device stability during storage. For mainstream solar power generation, technologies that cannot operate for more than two decades are unlikely to succeed, regardless of other benefits.
Early perovskite devices degraded rapidly, becoming non-functional within minutes or hours. Now, multiple research groups have demonstrated lifetimes of several months of operation. For commercial, grid-level electricity production, SETO is targeting an operational lifetime of at least 20 years, and preferably more than 30 years.
The perovskite PV research and development (R&D) community is heavily focused on operational lifetime and is considering multiple approaches to understand and improve stability and degradation. Efforts include improved treatments to decrease the reactivity of the perovskite surface, alternative materials and formulations for perovskite materials, alternative surrounding device layers and electrical contacts, advanced encapsulation materials, and approaches that mitigate degradation sources during fabrication and operation.
One issue with assessing degradation in perovskites is developing consistent testing and validation methods. Research groups report performance results based on highly varied test conditions, including different encapsulation approaches, atmospheric compositions, illumination, electrical bias, and other parameters. While such varied test conditions can provide insights and valuable data, the lack of standardization makes it challenging to directly compare results and difficult to predict field performance from test results.
Power Conversion Efficiency at Scale
In small-area lab devices, perovskite PV cells have exceeded almost all thin-film technologies (except III-V technologies) in power conversion efficiency, showing rapid improvements over the past five years. However, high-efficiency devices have not necessarily been stable or possible to fabricate at large scale. For widespread deployment of perovskites, maintaining these high efficiencies while achieving stability in large-area modules will be necessary. Continued improvement in efficiency in medium-area modules could be valuable for mobile, disaster response, or operational energy markets where lightweight, high-power devices are critical.
Perovskites can be tuned to respond to different colors in the solar spectrum by changing the material composition, and a variety of formulations have demonstrated high performance. This flexibility allows perovskites to be combined with another, differently tuned absorber material to deliver more power from the same device. This is known as a tandem device architecture. Using multiple PV materials enables tandem devices to have potential power conversion efficiencies over 33%, the theoretical limit of a single junction PV cell. Perovskite materials can be tuned to take advantage of the parts of the solar spectrum that silicon PV materials can’t use very efficiently, meaning they make excellent hybrid-tandem partners. It is also possible to combine two perovskite solar cells of different composition to produce a perovskite-perovskite tandem. Perovskite-perovskite tandems could be particularly competitive in the mobile, disaster response, and defense operations sectors, as they can be made into flexible, lightweight devices with high power-to-weight ratios.
Manufacturability
Scaling up perovskite manufacturing is required to enable commercial production of perovskite solar cells. Making the processes scalable and reproducible could increase manufacturing and allow perovskite PV modules to meet or exceed SETO’s levelized cost of electricity goals for PV.
Perovskite solar cells are thin-film devices built with layers of materials, either printed or coated from liquid inks or vacuum-deposited. Producing uniform, high-performance perovskite material in a large-scale manufacturing environment is difficult, and there is a substantial difference in small-area cell efficiency and large-area module efficiency. The future of perovskite manufacturing will depend on solving this challenge, which remains an active area of work within the PV research community.
Many of these methods used to produce lab-scale perovskite devices are not easy to scale up, but there are significant efforts to apply scalable approaches to perovskite fabrication. For thin-film technologies, these can be split into two major production types:
- Sheet-to-Sheet: Device layers are deposited on a rigid base, which typically acts as the front surface of the completed solar module. This approach is commonly used in the cadmium telluride (CdTe) thin-film industry.
- Roll-to-Roll: Device layers are deposited on a flexible base, which can then be used as either an interior or exterior portion of the completed module. Researchers have tried this approach for other PV technologies, but roll-to-roll processing did not gain commercial traction because of the performance limitations of these technologies. However, it is widely used to produce photographic and chemical film and paper products such as newspapers.
If perovskites can be made reliably using these scalable fabrication approaches, they have the potential for faster capacity expansion than silicon PV. Both of these processes are well established in other industries, so existing knowledge and supply chains can be leveraged to further reduce scaling costs and risk.
Additional barriers to commercialization are the potential environmental impacts of perovskite materials, which are primarily lead-based. As such, alternative materials are being studied to evaluate, reduce, mitigate, and potentially eliminate toxicity and environmental concerns.
Technology Validation and Bankability
Validation, performance verification, and bankability—ensuring the willingness of financial institutions to finance a project or proposal at reasonable interest rates—are essential to the commercialization of perovskite technologies. Variability in testing protocols and lack of sufficient field data have limited the ability to compare performance across perovskite devices and to develop confidence in long-term operational behavior.
Current testing protocols for solar PV devices were developed for the existing mainstream PV technologies. These involve indoor testing using protocols that could also accurately predict outdoor performance in silicon and CdTe solar cells, which degrade very differently than perovskite technologies. Objective, trusted validation using test protocols that can adequately screen for real-world failure modes is critical to boost confidence in perovskite technologies, which is necessary to enable investment in production scale-up and deployment. The rapidly changing material and device compositions of perovskite solar cells make this standardized validation particularly challenging and important.
SETO has funded the Perovskite Photovoltaic Accelerator for Commercializing Technologies (PACT) Validation and Bankability Center to address these challenges. PACT will conduct field and lab testing, develop and validate accelerated test protocols and energy yield models, and conduct technical and commercial bankability studies to improve our understanding and confidence in the real-world durability of perovskite PV technologies.
SETO has also developed performance targets to support commercialization pathways for perovskite PV based on the Performance Targets for Perovskite Photovoltaic Research, Development, and Demonstration Programs Request for Information (RFI). These targets for efficiency, stability and replicability of perovskite PV devices can align research directions and goals, ensuring that future funding programs are relevant and accelerating technical and commercial development and de-risking of perovskite technologies.