[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

페로브스카이트 태양전지는 광활성층으로 ‘유기 양이온, 무기 양이온 및 할라이드 음이온이 1:1:3의 비율을 가지는 조성이며 페로브스카이트라는 특정 결정구조를 가지는 물질’을 사용한 태양전지이다. 이 태양전지는 현재 상용화돼 있는 실리콘 태양전지와 달리 저온의 용액공정으로 제조할 수 있고 효율은 유사하다. 또 물질이 유연해 ‘유연 태양전지’ 혹은 ‘반투명 태양전지’로도 만들 수 있어 여러 차별적 특성을 활용한 차세대 태양전지로 활발한 연구가 진행 중이다.

현재 페로브스카이트 박막을 기판 위에 형성하는 가장 일반적인 방법은 ‘비용매 적하 공정’이다. 이는 다이메틸포름아마이드(DMF) 같은 독성인 용매에 페로브스카이트 물질을 용해해 코팅하면서 빠른 핵 생성이 가능할 수 있도록 하는 방법이다. 그런데 이 방법은 대면적에서 균일한 박막을 형성하는 데 크게 불리하다. 또 산업현장에는 독성 용매의 사용이 제한되므로 상용화에는 걸림돌이 될 수 있다.

이번 연구에서는 페로브스카이트를 용해할 수 없는 ‘에탄올(ethanol)’ 같은 용매에도 용해를 가능하게 하는 페로브스카이트 복합체를 제조했다. 이를 통해 비용매 적하 공정 없이도 매우 치밀하고 균일한 박막을 형성시키는 방법을 개발했다.

2. 연구내용

연구팀은 페로브스카이트의 전구체와 필름 형성에 대한 화학적 기작(mechanism)에 대한 이해를 바탕으로 ‘첨가물을 조절해 에탄올 혼합 시 전구체를 안정화’했다. 또 ‘박막 코팅 시 비용매 적하 공정 없이도 원활하게 알파상의 페로브스카이트를 형성’했다. 두 가지를 기반으로 기존의 페로브스카이트 공정과 유사한 효율을 만드는 기술을 확보한 것이다.

할라이드 페로브스카이트는 다이메틸포름아미드(DMF)와 같은 독성 용매에만 용해된다. 이런 독성 용매의 사용은 페로브스카이트 태양전지 연구가 꾸준히 진척돼도 상용화를 어렵게 만드는 큰 걸림돌로 작용했다. 이번 연구에서는 고효율의 페로브스카이트 박막 형성 시 주로 첨가하는 메틸암모니움 클로라이드(methylammonium chloride; MACl)의 역할에 대한 이해를 바탕으로, ‘메틸기보다 길이가 더 긴 알킬암모늄 클로라이드(RNH₃Cl)를 일정 분량 첨가해 페로브스카이트와 착화합물을 형성하면 용해도가 낮은 용매에도 페로브스카이트의 용해가 가능할 것’이라는 가설을 세웠다.

예상과 같이, 여러 알킬기를 종류별로 사용해 관찰했을 때 알킬체인이 길어질수록 안정적으로 중간상을 형성하는 것을 확인했다. 이것을 바탕으로 여러 종류의 RNH₃Cl을 비율별로 조절해 사용하면 비용매 적하 공정 없이 원활한 중간상을 형성하고, 열처리를 통해 치밀하고 균일한 페로브스카이트 박막을 제조할 수 있었다. 특히 여러 분석 장비를 사용해 에탄올 기반의 페로브스카이트 용액이 생성될 수 있는 원리를 학문적으로 이해하여 보고할 수가 있었다.

이를 기반으로 독성은 없고 끓는점(bp)이 높아 휘발이 어려워 중간상 형성이 어려운 ‘다이메틸 설폭사이드(DMSO)’를 ‘에탄올’과 함께 사용한 “친환경 용매”로 페로브스카이트 박막을 형성해 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있었다.

3. 기대효과

상용화에 있어서 큰 걸림돌인 독성 용매의 사용을 제거하고, 비용매 접촉이라는 추가공정 없이도 치밀하고 균일한 페로브스카이트 박막의 제조는 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 큰 기여가 예상된다. 또 학문적으로는 용해가 어려운 페로브스카이트를 용해하는 원리를 제공함으로써, 후속 연구자들에게 새로운 연구 방향과 방법론을 제시해줄 수 있을 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 할라이드 페로브스카이트 박막(halide perovskite thin film)

할라이드 페로브스카이트는 두 개의 양이온(A, B)과 세 개의 할라이드 음이온(X)이 결합된 ABX₃ 화학식을 가지면서 페로브스카이트 구조를 가지는 물질을 통칭함. 본 연구에서는 포름아미디늄(formamidinium)과 납(lead)을 양이온으로 아이오드(iodide)를 음이온으로 하는 포름아미디늄 레드 아이오다이드(formamidinium lead iodide, FAPbI₃)의 박막을 의미한다.

2. 페로브스카이트 태양전지

정공 전달층과 전자 전달층 사이에 할라이드 페로브스카이트 박막이 샌드위치 구조로 상호 적층된 구조로 제조된 태양전지.

3. 정공 전달층(hole transport layer)과 전자 전달층(electron transport layer)

광활성층에서 빛을 받으면 생성되는 전자와 정공 중 정공만 전달하는 층을 정공 전달층, 전자만 전달하는 층을 전자 전달층이라 한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 에탄올 기반 페로브스카이트(formamidinium lead iodide: FAPbI₃) 용액 제조.
(1) 페로브스카이트는 에탄올에 용해되지 않음.
(2) 페로브스카이트를 용해하는 용매와 에탄올과의 혼합 용매에서도 용해되지 않음.
(3) 본 연구를 통한 복합체의 제조로, 에탄올에 용해된 페로브스카이트 용액.

그림2. 에탄올 기반 용액으로 코팅된 박막의 표면 및 제조된 소자의 효율.
(a) 페로브스카이트 박막 표면에 대한 투과 전자현미경 관찰 사진.
(b) 페로브스카이트 태양전지의 J(전류밀도)-V(전압) 커브.