페로브스카이트 박막(10-6m 수준의 얇은 막) 제조 공정 부산물이 페로브스카이트 α상(phase, 결정 입자를 구성하는 원자 배열 모양) 결정 안정화에 도움을 준다는 가설이 처음으로 제시됐다.
페로브카이트 태양전지 핵심 소재인 페로브스카이트(FAPbI3, 삼요오드화 납계 포름아마디니움) 박막은 빛을 흡수하는 효율이 뛰어난 α상 결정과 불순 결정이 섞여 있다. 효율과 내구성이 좋은 페로브스카이트 전지를 만들려면 α상이 불순 결정으로 변하지 않고 그 모양을 잘 유지 할 수 있도록(안정화) 해야 한다.
에너지화학공학과 석상일 교수팀은 그 동안 알려지지 않은 공정 부산물의 존재를 최초로 밝히고, 이 같은 가설을 체계적으로 검증한 연구 결과를 에너지 과학 분야 최고권위 학술지인 Nature Energy에 발표했다.
석상일 교수는 “이번 연구는 α-상 결정을 안정화시킨 FAPbI3 페로브스카이트 박막 제조를 위한 새로운 지침을 제공하는 연구”라며 “효율과 내구성이 더욱 향상된 페로브스카이트 태양전지 제조에 활용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
차세대 태양전지로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지의 효율은 상용 실리콘 태양전지 근접하고 있지만, 전지의 장기 안정성은 보완이 필요하다.
석 교수팀은 페로브스카이트 박막 제조 방법별로 태양전지 내구성에 큰 차이가 있다는 점에 주목했다. 원료를 차례대로 코팅해 만든(순차 코팅법) 박막을 쓴 전지가 혼합된 원료를 한꺼번에 코팅해 만든(단차 코팅법) 박막을 쓴 전지보다 내구성이 더 좋은 것이다.
연구진은 이러한 차이가 순차 코팅법에 쓰는 이소프로필알코올(isopropyl alcohol)의 영향일 가능성이 크다는 가설을 세우고, 이를 최첨단 물질 분석과 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 써 검증해 나갔다.
그림1. 단차코팅(One-pot)법에 IPA(이소프로필알코올)를 첨가한 경우와 그렇지 않는 경우의 비교해 보면 불순 결정상(δ상)의 양이 적은 것을 알 수 있다.
먼저 이소프로필알코올을 첨가해 박막을 만든 뒤 박막 내부 결정 입자의 모양과 성분을 분석했다. 스침각 X-선 회절 (Grazing Incidence X-ray Diffraction) 분석과 X-선 광전자분광(X-ray Photoemission Spectroscopy)분석법을 활용했다. 분석결과 이소프로필알코올이 첨가된 박막은 대조군에 비해 내부에 불순 결정이 적고 순수하고 안정적인 α-상 결정이 많이 만들어진 것을 확인했다. 또 박막 결정 입자 사이(grain boundary, 결정립계)에 있는 ‘이소프로필암모니움’을 발견했다. 이소프로필암모니움은 이소프로필알코올의 변형 물질이다.
UNIST 연구지원본부 신태주 교수는 “페로브스카이트 박막이 합성되는 상당히 복잡한 화학조성 상태에서 염화메틸아민의 아미노기가 이소프로필알코올로 옮겨가면서(아미노기 전이 transamination) ‘이소프로필암모니움’이 만들어 질 수 있다”고 설명했다. 연구팀은 이 같은 사실을 적외선 분광분석법과 핵자기공명 분석법을 이용해 찾아냈다.
한국화학연구원 계산연구팀은 이소프로필암모니움과 α상 결정의 열역학적 안정성간의 상관관계를 분석했다. 컴퓨터 시뮬레이션 분석 결과 페로브스카이트 결정 입자 사이에 존재하는 이소프로필암모니움 분자가 α상 결정의 안정성을 높이는 것으로 나타났다.
석 교수 연구팀은 잘 정제된 ‘염화 이소프로필암모니움(iPAmHCl)’을 인위적으로 첨가해 단차 코팅 방법으로 페로브스카이트 박막을 만든 뒤 이를 태양전지 소자로 구현했다. FAPbI3의 α-상을 안정화시켜 효율과 안정성이 우수한 페로브스카이트 태양전지를 만들 수 있었다.
석 교수는 “지금은 전지 내구성을 높이기 위한 체계적인 연구가 필요한 시점”이라며 “새로운 물질 개발뿐만 아니라 페로브스카이트 박막 안정성에 영향을 미치는 주된 인자간의 상관관계를 물리화학과 고체물리학적 접근법을 활용해 밝히고, 이론적 표준안을 마련하는 연구도 계속해 나갈 계획”이라고 밝혔다.
한편, 석상일 교수는 페로브스카이트 태양전지 연구를 세계적으로 선도하고 있는 석학이다. 페로브스카이트 태양전지로 마의 효율이라 불렸던 20%를 처음 넘긴 것은 물론이며, 최고 효율을 스스로 다섯 차례나 경신했다. 현재 미국국립신재생연구소(NREL)의 공인 페로브스카이트 태양전지 최고 효율인 25.5%의 기록도 보유하고 있다.
이번 연구는 권형우 UNIST 에너지화학공학과 박사과정 연구원, 박병욱 연구조교수, 연구지원본부 신태주 교수와 포항가속기연구소 연구진들, 한국화학연구원 계산연구팀과의 협업을 통해 이룬 성과다.
논문명: Stabilization of formamidinium lead triiodide α-phase with isopropylammonium chloride for perovskite solar cells (바로보기)
