[붙임] 연구결과 개요

연구배경

양자점1)(QD) 태양전지는 양자구속 효과에 기인한 독특한 광학적 특성과 함께 공정적인 이점을 가지고 있는 차세대 태양전지이다. 그중 페로브스카이트2) 양자점 태양전지는 2016년 처음 등장해 현재까지 NREL 인증 효율을 갱신하며 다른 양자점 소재보다 월등한 성능을 보여주고 있다.

페로브스카이트 양자점 태양전지는 주로 무기계 CsPbI3 QD를 활용하는 연구가 주를 이루었고, 이에 반해 유기계 FAPbI3 QD나 MAPbI3 QD를 활용할 경우 낮은 소자 성능으로 인해 연구에 대한 관심도가 매우 낮았다.

그러나 태양광 스펙트럼을 기반으로 한 이론적인 효율은 오히려 밴드갭이 낮은 유기계 페로브스카이트 양자점이 높기에 이에 대한 개발이 필요한 상황3)이며, 본 연구에서는 기존의 유기계 양이온4) 페로브스카이트 양자점 태양전지가 가지고 있던 전류 제한 문제를 해결하는 방법을 확보하고자 하였다.

2. 연구내용

양이온과 음이온이 교차 사용되는 페로브스카이트 소재의 특성상 페로브스카이트 양자점 태양전지는 올레인산과 올레아민의 두 종류의 리간드를 기반으로 합성될 때 안정적으로 형성된다.

그러나 이러한 초기 리간드들은 긴 알킬사슬로 인해 저항요소로 작용할 수 있어 짧은 리간드로 교체될 필요가 있고, 기존에는 메틸아세테이트의 가수분해 반응을 통해 생성된 아세테이트 이온으로 리간드 교환5)을 진행하였다.

본 연구에서는 이러한 기존의 리간드 교환 방식을 통해서는 FAPbI3 QD의 올레인산은 충분히 제거되는 반면, 올레아민은 상당수가 제거되지 않고 잔존해 있다는 사실을 분석해내고, 올레아민 치환을 강화할 수 있도록 ‘암모늄이온이 첨가된 리간드 치환기술’을 고안하였다.

초반에는 양자점 코어에 사용된 물질인 formamidinium iodide (FAI)를 도입하여 사용했으며, 이는 초기 리간드인 올레아민과 올레인산을 모두 효과적으로 제어할 수 있었으나, 리간드가 교체된 뒤 양자점 코어의 결정상이 파괴되어 광전기적 활성이 낮은 델타상6)이 생겼고, 결과적으로 겨우 15.05%의 태양전지 효율을 얻을 수 있었다.

이에 결정격자를 안정화할 수 있도록 크기가 작은 양이온을 지니는 methlyammonium iodide (MAI)를 도입하여 리간드를 교체 후 발생할 수 있는 결정성 저하현상을 억제하여 최대 효율 18.93% (공인인증효율 18.06%)를 달성하였다.

특히 이렇게 형성된 양자점 태양전지 소자는 높은 안정성을 보이며 상온에서 2년 이상 보관해도 초기효율의 93% 이상을 유지하며 안정적인 성능을 보여줬다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제안한 리간드 교환방식의 도입을 통해 기존에 활용이 어려웠던 유기계 양이온 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능을 획기적으로 향상시켰고, 앞으로 양자점 태양전지의 급격한 효율 발전을 기대하고 있다.

특히 공정적인 이점을 가진 양자점 태양전지의 효율과 안정성을 향상시킨 연구결과를 기반으로 상용화하였을 때, 재생가능 에너지원의 활용을 통한 탄소배출 완화와 기존 실리콘 태양전지 대비 제조단가를 낮춰 보다 지속 가능한 미래에 기여할 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 양자점

크기가 수~수십 나노미터 크기인 반도체 결정으로 일반적으로 물질은 크기가 변해도 물성이 바뀌지 않으나, 양자점 물질은 양자점의 크기에 따라 광학적 특성이 변하는 특성을 가지고 있다. 이에 광범위한 파장대를 흡수하도록 조절이 가능한 특성을 기반으로 태양전지나 발광 다이오드 등에 광범위하게 활용된다.

2. 페로브스카이트

값싸고, 가볍고, 효율적인 태양 흡수 물질로 오랫동안 실리콘 대체재로 주목 받고 있는 소재이다. 구조는 ABX3 (A, B는 양이온, X는 음이온) 결정구조를 가지고 있으며, 그중 A-자리로는 칼슘, 세슘 등과 같은 무기계 양이온이나 메틸암모늄, 포름아미디늄과 같은 유기계 양이온을 사용할 수 있다.

3. 밴드갭과 이론적 효율

반도체 소자가 빛을 흡수할 때에는 밴드갭보다 큰 에너지를 가진 빛만을 흡수하고 이때 생성된 전자와 정공을 분리해 태양전지로 활용한다. 이에 따라 밴드갭과 광스펙트럼을 고려하여 이론적인 태양전지 효율을 예측할 수 있다.

4. 무기계 및 유기계 양이온 페로브스카이트

세슘과 같은 무기계 양이온을 A-자리에 사용하는 무기계 페로브스카이트는 메틸암모늄이나 포름아미디늄과 같은 유기계 양이온을 A-자리에 사용하는 유기계 양이온 페로브스카이트에 비해 밴드갭이 상대적으로 큰 편이고 이에 따른 이론적인 효율이 낮은 편이다.

5. 페로브스카이트 결정상

페로브스카이트 구조는 결정 격자의 뒤틀림 정도에 따라 다른 상을 갖게 되는데, 그중 델타상은 밴드갭이 크고 광변환특성이 적어 태양전지 내에 존재할 경우 효율 저하의 원인이 된다.

6. 리간드 치환 공정

양자점의 합성과정 및 용액 내의 분산을 위해 일반적으로 긴 리간드를 초기 리간드로 가지고 있으나, 이는 태양전지로 활용될 때 양자점과 양자점 사이에 전하흐름을 방해하는 요인이 되므로 양자점 간의 거리를 줄이기 위해 짧은 리간드로 치환하는 과정이 필수적이며, 이를 리간드 치환 공정이라고 부른다.

[붙임] 그림설명

그림1. 유기계 페로브스카이트 양자점 소재와 이를 이용한 태양전지의 구조 및 리간드 치환 방식 모식도

페로브스카이트 양자점을 투과전자현미경으로 투사한 이미지로 양자점 크기가 10~20nm 수준임을 확인할 수 있다. 이 양자점을 기반으로 양자점 태양전지를 제조하기 위해서는 리간드 치환을 필요로 한다. 그림과 같이 합성된 초기 양자점(검은색 영역)은 긴 리간드로 감싸져 용매 내에 분산되어 있는 상태이며, 이를 기존 리간드 치환 방식(파란색 영역)으로 처리할 경우, 초기 리간드의 잔존 비율이 높았고, FAI 기반 리간드 치환 방식(노란색 영역)을 도입하였더니 리간드는 줄었으나 상이 무너졌다. 최종적으로 MAI 기반 리간드교환을 진행하였을 때 잔존 리간드를 최소화하면서 상을 안정적으로 유지하는 모습을 보여준다.

그림2. 양자점 태양전지 효율 공인인증서와 NREL의 최고 효율 태양전지 차트

본 연구에서 양자점 태양전지 공정 방식 개선을 통해 미국 재생에너지연구소(NREL)에서 인증 효율 18.06%를 기록하였고, 이는 양자점 태양전지 효율 중 가장 높은 성능으로 공인받아 세계 최고 효율 태양전지를 기록하는 NREL 차트에 등재되었다. 이는 현재까지도 양자점 태양전지의 최고 효율로서 기록이 유지되고 있다.