어둡거나 시원할 때 투명하지만 태양이 너무 밝을 때 자동으로 어두워지는 스마트 창은 점차 보편화된 에너지 절약 장치이다. 그러나 창문이 어두워지면 동시에 전기가 생성된다고 상상해보자. 이러한 물질-가역적으로 열 변색성이 있는 광전지-는 연구자들이 오래 동안 연구해 온 친환경 기술이며 현재는 로렌스 버클리 국립 연구소 (버클리 연구소)의 과학자들이 이를 작동시키는 방법을 보여주었다.

연구팀은 현재 높은 변환 효율로 인해 태양 연구에서 가장 뜨거운 물질 중 하나인 페로브스카이트의 형태가 놀랍게도 안정적이고 광활성인 반도체 물질로 작용한다는 것을 발견했다. 전자 특성을 열화시키지 않고 투명 상태와 불투명 상태 사이에서 가역적으로 전환될 수 있다.

이번 연구는 네이처 머터리얼스 (Nature Materials, "Thermochromic Halide Perovskite Solar Cells") 지에 연구 결과가 발표되었다.

과학자들은 물질의 상전이, 즉 무기 페로브스카이트를 조사하면서 발견했다. 이 무기 할로겐화물 페로브스카이트는 놀라운 위상 전이 화학을 가지고 있다. 그것은 약간 온도를 변화시키거나 약간의 수증기를 도입할 때 본질적으로 하나의 결정 구조에서 다른 결정 구조로 바뀔 수 있다.

재료가 결정 구조를 변경하면 투명에서 불투명으로 변경된다. 이 두 상태는 정확히 같은 조성을 가지고 있지만 결정 구조가 매우 다르다. 따라서 기존의 기존 반도체에서 쉽게 사용할 수 없는 방식으로 쉽게 조작할 수 있다.

할로겐화 페로브스카이트 물질은 미네랄 페로브스카이트의 결정 구조를 갖는 화합물이다. 독특한 특성, 고효율 및 가공 용이성으로 인해 최근 태양 광 기술에서 가장 유망한 개발 중 하나가 되었다.

NREL (National Renewable Energy Laboratory)의 연구팀은 최근 하이브리드 페로브스카이트에서 화학 반응을 사용하여 전환 가능한 태양 광 창을 보여주는 관련 발견을 했다.

버클리 연구소의 연구원들은 원래 열 색광 태양 전지 창을 개발하기 시작하지 않았다. 그들은 페로브스카이트 태양 전지의 상전이를 조사하고 프로토 타입인 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트 메틸 암모늄 납 요오드화물의 안정성을 개선하려고 시도했다. 그래서 그들은 메틸 암모늄을 대체하기 위해 세슘을 사용해 보았다.

화학적 안정성이 크게 향상되었지만, 불행하게도 단계가 안정적이지 않았다. 연구팀은 낮은 온도로 변한다는 점을 독특하고 유용한 것으로 변환시켰다.

재료는 열을 가함으로써 낮은 T에서 높은 T 단계 (또는 투명에서 불투명)로 전환되도록 촉발된다. 실험실에서 필요한 온도는 섭씨 약 100도였다. 연구팀은 60C로 필요 온도를 줄이려고 한다.

습기나 습도가 역전이를 유발하기 위해 실험실에서 사용되었다. 필요한 수분의 양은 조성과 원하는 전환 시간에 달려 있다. 예를 들어, 더 많은 브롬화물은 물질을 더 안정하게 만든다. 그래서 같은 습도는 높은 T에서 낮은 T 상태로 변환하는데 더 오랜 시간이 걸릴 것이다.

연구자들은 또한 전압을 가하거나 습기의 근원을 조작함으로써 역전이를 유발할 수 있는 대안적인 방법을 개발하기 위해 계속 노력할 것이다.

태양 전지는 색상 변색이나 성능 저하없이 반복적인 위상 전이 사이클에서 완벽한 가역 성능과 탁월한 소자 안정성을 보여준다. 이와 같은 장치로 건물이나 자동차는 스마트 태양 광 창을 통해 태양 에너지를 수확할 수 있다.