용액 공정을 통한 페로브스카이트 박막 이종접합 형성 및 전하거동 특성 규명
용액 공정을 통한 페로브스카이트 박막 이종접합 형성 및 전하거동 특성 규명
  • 한국연구저널
  • 승인 2021.10.20 13:54
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

고효율 페로브스카이트 태양전지 구현
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesbank

후처리 필요 없는 간단한 용액 공정으로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율(23.91%)을 실리콘 태양전지 효율(26.7%)에 가깝게 향상한 연구결과가 나왔다.

 

태양전지에서 광전변환효율은 입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 출력되는 전기에너지의 비율로 빛이 전기로 전환되는 비율을 의미하며, 태양전지의 특성을 평가하는 가장 중요한 결과이다. 이에 유·무기 금속 할라이드 소재인 페로브스카이트는 쉬운 용액 공정 및 저온 공정 기반임에도 불구하고 높은 광전변환효율로 차세대 태양전지의 유력한 후보로 거론되고 있다.

페로브스카이트 광 흡수층 박막 제작 공정 시, 박막 표면에 이온 결합을 하지 못하거나 외부의 환경에 노출로 인한 열화로 결함이 필연적으로 발생하게 된다. 이러한 표면 결함은 빛에 의해 생성된 광전자/정공의 재결합을 유도하는 역할을 하여, 태양전지의 성능을 저하하는 요인이 되므로 표면 패시베이션(surface passivation) 공정을 이용하여 박막 표면의 결함을 줄이고, 광전자/정공을 온전히 금속 전극으로 추출하는 방법이 필요했다.

 

이에 신현정, 박남규 교수(성균관대학교) 연구팀은 박종혁 교수(연세대학교) 연구팀과 함께 페로브스카이트 이종접합 구조에서의 전하거동 특성을 제어한 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제안했다이번 연구에는 포항공대 이동화 교수 연구팀의 이론연구와 포항가속기연구소 안형주 박사의 가속기 고도분석도 포함되었다. 기존에도 이종접합 구조의 페로브스카이트에 관한 연구는 있었으나 후처리를 동반하는 공정이었다.

 

(그림1) 페로브스카이트 태양전지 구조와 밴드 정렬된 이종접합구조 모식도(좌) 페로브스카이트 태양전지는 빛을 흡수하여 전자/정공을 생성하는 페로브 스카이트 광흡수층(그림에서 검정색으로 표시)과 이를 적절하게 추출/수송하기 위한 전자수송층(SnO2, 그림에서 붉은색층으로 표시) 및 정공 수송층 (Spiro-OMeTAD, 그림에서 회색층으로 표시)로 이루어져 있다. 용액 및 저온 공정을 통해 페로브스카이트 박막이 제작되기 때문에 표면에 결함이 불가피하게 생성되며, 결함을 치유하기 위해 표면에 사이클로헥실암모늄 기반의 2D 페로브스카이트 기반의 이종접합 구조를 형성하여 정공 추출/수송 능력을 향상시키도록 설계하였다.(우) 설계된 2D/3D 페로브스카이트의 에너지 밴드 정렬 구조의 모식도. 3D  (FAPbI3)에 비해 높은 전도대 및 가전자대 에너지 구조를 가진 2D 페로브스카이트 (CHMA2PbI4, CHA2PbI4)의 이종접합을 통해 전자의 이동을 억제하고 정공을 원활하게 추출/수송할 수 있음을 규명하였다. 그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 신현정 교수
■ 페로브스카이트 태양전지 구조와 밴드 정렬된 이종접합구조 모식도 ■
(좌) 페로브스카이트 태양전지는 빛을 흡수하여 전자/정공을 생성하는 페로브 스카이트 광흡수층(그림에서 검정색으로 표시)과 이를 적절하게 추출/수송하기 위한 전자수송층(SnO2, 그림에서 붉은색층으로 표시) 및 정공 수송층 (Spiro-OMeTAD, 그림에서 회색층으로 표시)로 이루어져 있다. 용액 및 저온 공정을 통해 페로브스카이트 박막이 제작되기 때문에 표면에 결함이 불가피하게 생성되며, 결함을 치유하기 위해 표면에 사이클로헥실암모늄 기반의 2D 페로브스카이트 기반의 이종접합 구조를 형성하여 정공 추출/수송 능력을 향상시키도록 설계하였다.(우) 설계된 2D/3D 페로브스카이트의 에너지 밴드 정렬 구조의 모식도. 3D (FAPbI3)에 비해 높은 전도대 및 가전자대 에너지 구조를 가진 2D 페로브스카이트 (CHMA2PbI4, CHA2PbI4)의 이종접합을 통해 전자의 이동을 억제하고 정공을 원활하게 추출/수송할 수 있음을 규명하였다. [그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 신현정 교수]
(그림2) 페로브스카이트 이종접합 구조에서 정공 거동 특성과 결함 농도와 그에따른 광전변환효율 특성(좌) 2D/3D 페로브스카이트 이종접합 구조에서 정공의 자발적인 추출에 의해 광발광 특성의 퀜칭 현상 발생하였다. 또한 2D 페로브스카이트에 의해 표면 결함이 치유되어 결함 농도가 감소 하는 양상을 보여주었다.(우) 태양전지 소자의 이종접합 유무에 따른 광전변환 효율 특성 측정 결과. 2D 페로브스카이트가 도입된 이종접합 박막 기반의 소자에서는 광전변환 효율 특성이 20.41%에서 23.91%로 증가한 경향성을 보였다.그림설명 및 그림제공: 성균관대학교 신현정 교수
■ 페로브스카이트 이종접합 구조에서 정공 거동 특성과 결함 농도와 그에따른 광전변환효율 특성 ■
(좌) 2D/3D 페로브스카이트 이종접합 구조에서 정공의 자발적인 추출에 의해 광발광 특성의 퀜칭 현상 발생하였다. 또한 2D 페로브스카이트에 의해 표면 결함이 치유되어 결함 농도가 감소 하는 양상을 보여주었다.(우) 태양전지 소자의 이종접합 유무에 따른 광전변환 효율 특성 측정 결과. 2D 페로브스카이트가 도입된 이종접합 박막 기반의 소자에서는 광전변환 효율 특성이 20.41%에서 23.91%로 증가한 경향성을 보였다. [그림설명 및 그림제공: 성균관대학교 신현정 교수]

태양전지의 광전변환효율은 광흡수층으로 쓰이는 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 얼마나 보완하고 제어할 수 있는지가 관건이다. 표면의 납 및 요오드 계열의 결함 등이 광흡수를 통해 만들어 낸 광전하들을 가두는 트랩으로 작용하여 광전변환 효율을 떨어뜨리기 때문이다. 이에 연구팀은 광전변환 능력이 부족한 2차원 구조의 페로브스카이트와 광흡수층으로 사용하기에 적절한 밴드갭을 가지는 3차원 구조의 페로브스카이트를 접합하고자 하였다. 기존에도 2차원 및 3차원 페로브스카이트를 접합하려는 시도가 있었으나, 2차원 물질의 높은 생성 에너지로 인해 열처리 혹은 압력을 통한 후 공정이 요구되는 한계가 있었다. 따라서 열을 가하는 후처리를 생략할 수 있도록 자발적으로 2차원 평면 페로브스카이트 구조를 형성하기에 적합한 분자를 탐색하였다. 용매와 분자 사이 최적의 화학반응으로 3차원 페로브스카이트 표면에 2차원 형태의 입체 구조가 자발적으로 접합되도록 유도하였다.

 

(그림3) 페로브스카이트의 박막의 중간 구조와 컨덕턴스(좌) 2D/3D 페로브스카이트 이종접합 구조 형성 과정 중 중간 구조의 페로브스카이트가 형성된다. 결국 페로브스카이트의 점진적 구조 형성과 가전자대 에너지 밴드 정렬을 통해 정공이 이동함을 규명하였다. (우) 페로브스카이트 구조에 따른 컨덕턴스 측정 값. CHMAI라고 표시된 2D 페로브스카이트는 구조적 특성상 전기적으로 절연 특성을 보인다. 반면, FA100 이라고 표시된 3D 페로브스카이트 뿐만 아니라 2D/3D 중간 구조의 박막도 전도 특성을 보였다. 이 결과는 3D 페로브스카이트로부터 생성된 정공이 2D 페로브 스카이트로 효율적으로 이동하는 현상을 뒷받침 한다.그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 신현정 교수Reproduced with permission from ref (1). Copyright, 2021 John Wiley and Sons.위 성과그림은 2021 John Wiley and Sons. 사의 허가를 받아 재사용되었음.1. Jeong, Seonghwa, et al. "Cyclohexylammonium‐Based 2D/3D Perovskite Heterojunction with Funnel‐Like Energy Band Alignment for Efficient Solar Cells (23.91%)." Advanced Energy Materials (2021): 2102236.
■ 페로브스카이트의 박막의 중간 구조와 컨덕턴스 ■
(좌) 2D/3D 페로브스카이트 이종접합 구조 형성 과정 중 중간 구조의 페로브스카이트가 형성된다. 결국 페로브스카이트의 점진적 구조 형성과 가전자대 에너지 밴드 정렬을 통해 정공이 이동함을 규명하였다. (우) 페로브스카이트 구조에 따른 컨덕턴스 측정 값. CHMAI라고 표시된 2D 페로브스카이트는 구조적 특성상 전기적으로 절연 특성을 보인다. 반면, FA100 이라고 표시된 3D 페로브스카이트 뿐만 아니라 2D/3D 중간 구조의 박막도 전도 특성을 보였다. 이 결과는 3D 페로브스카이트로부터 생성된 정공이 2D 페로브 스카이트로 효율적으로 이동하는 현상을 뒷받침 한다. [그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 신현정 교수Reproduced with permission from ref (1). Copyright, 2021 John Wiley and Sons.위 성과그림은 2021 John Wiley and Sons. 사의 허가를 받아 재사용되었음.1. Jeong, Seonghwa, et al. "Cyclohexylammonium‐Based 2D/3D Perovskite Heterojunction with Funnel‐Like Energy Band Alignment for Efficient Solar Cells (23.91%)." Advanced Energy Materials (2021): 2102236.]

실제 이렇게 만들어진 이종접합 구조에서는 계단식 에너지 밴드 정렬로 인해 전하수송이 원활해지면서 광전하 추출효율이 높아져 23.91%의 광전효율변환 특성을 보였다. 이는 기존 단일 구조에서의 광전변환효율은 20.41% 수준이다.

이번 연구에서 사용된 사이클로헥실암모늄 계열의 분자는 낮은 형성 에너지 (formation energy)로 인해 2D 페로브스카이트 구조를 형성하기가 쉽고 적절한 양이온의 선택을 통해 페로브스카이트 이종접합 구조를 쉽게 형성, 효율 향상에 기여할 수 있다는 것이다. 또한, 후처리를 배제한 용액 공정으로 규모 확장성(scalable) 측면에서도 잠재력이 높다고 할 수 있다.

 

과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 신소재 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’920일 게재(온라인)되었다. 학술적 진보성을 인정받아 해당 저널 issue 42 (2021) 커버 사진으로 채택되었다.​​​​​​​

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.