[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

최근 페로브스카이트 물질에 대한 관심이 높아지고 있다. 어떤 원소를 조합하느냐에 따라 부도체와 반도체, 초전도체 등의 특성을 살릴 수 있는 특별한 구조이기 때문이다. 그 중에서도 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지보다 발전단가를 10분의 1 수준으로 줄일 수 있고, 발전 효율도 높은 것으로 보고됐다. 이 때문에 페로브스카이트 태양전지 공정을 최적화하고 효율을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또 페로브스카이트는 광발광양자효율(photoluminescence quantum efficiency)이 높다는 특성이 있어 발광소자나 레이저에 적용하는 기술도 주목 받고 있다.

일반적으로 연구되는 페로브스카이트 광전소자는 소자 안정성을 높이기 위해 금이나 은 같은 높은 일함수를 갖는 전극을, 전하를 넣고 꺼내는 층으로 금속산화물(이산화티타늄 등)을 사용한다. 하지만 전자 주입․수송층과 페로브스카이트 사이에서 에너지 장벽이 있다. 또 전자 주입․수송층으로 활용되는 금속산화물의 경우에는 용액으로 만들면서 결함이 나타날 수 있다. 두 가지 요소는 페로브스카이트 광전소자의 효율을 낮추고 원인으로 지적돼 왔다.

이번 연구에서는 전자 주입․수송층과 페로브스카이트 사이에 ‘극성용매’를 활용하는 방법을 도입했다. 이를 통해 페로브스카이트 광전소자의 효율을 향상시키고, 균일한 페로브스카이트 막을 구현할 수 있는 방향이 제시됐다.

2. 연구내용

전자 주입․수송층과 페로브스카이트 사이에서 에너지 장벽을 줄일 수 있다고 보고된 다양한 극성용매 물질을 연구에 사용했다. 그러나 2-메톡시에탄올과 에탄올아민의 혼합 극성용매에서만 균일한 페로브스카이트 막이 형성됐다. 이는 전자주사현미경(Scanning electron microscope, SEM) 및 X선회절법(X-ray Diffraction, XRD) 을 통해 확인할 수 있었다.

만약 전자 주입․수송층과 페로브스카이트가 균일한 막으로 형성되지 않으면 태양전지나 발광소자의 효율이 현저히 떨어진다는 것도 실험으로 확인했다. 또한 광학현미경으로 페로브스카이트 발광소자를 관찰한 결과, 극성용매로 처리해 만든 페로브스카이트 층으로 제작한 페로브스카이트 발광소자가 균일한 막을 형성하는 것을 확인했다. 이는 세계 최초로 관찰한 내용이다.

이와 더불어 2-메톡시에탄올과 에탄올아민의 혼합 극성용매처리를 통해 전자 주입․추출층과 활성층 경계면 사이에 에너지 장벽을 줄여 전자의 흐름을 원활하게 했다. 또 이 처리로 이산화티타늄(TiO₂) 층 위에 고르지 못한 표면을 반대 전극에서 극성을 띄는 용매를 도입함으로써 전하의 선택성을 향상시켰다.

최종적으로 2-메톡시에탄올과 에탄올아민의 혼합 극성용매처리를 통해 최적화된 페로브스카이트 발광소자는 발광 및 발전 효율이 증가했다. 극성용매 처리를 하지 않은 발광소자(118cd/㎡)에 비해 5배 향상된 휘도(luminance)인 545cd/㎡를 기록한 것이다. 참고로 스마트폰 화면의 최대 밝기가 200cd/㎡ 정도 된다. 또한 페로브스카이트 태양전지 효율도 극성용매 처리를 하지 않는 태양전지(12.8%)보다 30% 높은 효율을 나타내 최대 16.3%까지 발전 효율을 높였다.

3. 기대효과

이번 연구에서 도입된 페로브스카이트 광전소자에서 극성용매를 처리하는 간단한 공정을 통해 효율을 높이고 균일한 페로브스카이트 막을 구현할 수 있었다. 따라서 극성용매를 통한 선택적 계면조절방법은 앞으로의 페로브스카이트 발광소자 및 태양전지의 효율 향상뿐 만 아니라, OLED(organic light emitting diode, 유기다이오드) 레이저 같은 분야에 커다란 영향을 끼칠 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)

독일의 Wiley-VCH사에서 창간한 과학 학술지로서, 2015년 현재 인용지수(Impact factor) 15.409을 나타내는 신소재 분야 최고 권위지이다.

2. 페로브스카이트 광전소자

페로브스카이트는 ABX₃ 화학식을 갖는 결정구조다. 반도체와 부도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 물질이다. 페로브스카이트 광전소자는 페로브스카이트 구조를 가지는 물질을 이용해 제작된 것으로, 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자나 빛을 전기로 바꾸는 태양전지로 활용할 수 있다.

3. 전자 주입·수송층

일반적인 페로브스카이트 광전소자 구조(ITO-음극, 금속산화물, 페로브스카이트, 정공 전도성 고분자, 금-양극)에서 ITO 위에 코팅되는 이산화티타늄(TiO₂) 같은 금속산화물 층을 말한다. 페로브스카이트에서 생성된 전자가 페로브스카이트 층에서 ITO 쪽으로 원활하게 흐를 수 있게 돕거나 반대 방향으로 전자가 원활하게 주입되도록 도움을 준다. 

4. 극성용매

분자 내부에 고정적으로 전기 쌍극자를 갖는 액체를 극성 액체라 하고 이것이 용매로서 이용될 때 극성 용매라 불린다. 극성 용매는 그 분자의 쌍극자 모멘트 및 액체 중의 분자 배열 때문에 무극성 용매에 비해 굉장히 큰 유전율을 갖는 것이 보통이다. 극성용매로는 물, 알코올, 액체암모니아가 대표적인 물질이다.

5. 에너지 장벽

2개의 다른 금속, 금속과 반도체, 2개의 다른 반도체를 접촉 또는 접합시킨 경우 둘 사이에 에너지의 이동 즉 전자의 이동이 이뤄진다. 이 때 생기는 전위(에너지)의 차이를 에너지 장벽이라고 한다. 

[붙임] 그림 설명