[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

태양전지의 차세대 소재로 주목받고 있는 할라이드 페로브스카이트(Halide perovskite)는 특정한 육방면체 구조(ABX₃)를 가지며, 빛을 효율적으로 흡수하는 특성이 있다. 특히, FAPbI₃(Formamidinium lead iodide)는 약 1.5eV의 밴드갭(Band gap)을 가지며, 뛰어난 광 흡수 특성 덕분에 태양전지의 핵심 소재로 사용되고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 이종 접합(Heterojunction) 설계가 도입된 이후로 빠르게 발전했으며, 광전 변환 효율이 꾸준히 향상되고 있다. 하지만 실질적인 상용화를 위해서는 소자의 장기 안정성과 전하 이동 특성 개선이 중요한 과제로 남아 있다. 페로브스카이트 박막 내부 및 표면에서 발생하는 결함(Defect)을 줄이고, 전하가 손실되지 않도록 밴드 밴딩(Band bending) 및 내부 전기장(Built-in potential)을 최적화하는 연구가 필수적이다.

최근 연구에서는 페로브스카이트 표면에 알킬암모늄 할라이드(Alkylammonium halide)를 도입해 2D/3D 계면 구조를 형성하는 방식이 주목받고 있다. 하지만 기존 방식은 시간이 지나면서 유기 양이온의 이탈로 인해 구조가 붕괴하는 문제가 있었으며, 이로 인해 장기적인 안정성이 낮아지는 한계를 보였다.

2.연구내용

본 연구에서는 기존의 한계를 극복하기 위해 강한 분자 간 상호작용을 이용해 2D 구조의 에너지 레벨과 안정성을 정밀하게 조절하는 새로운 접근법을 제안했다.

두 종류의 유기 양이온(M-PEAI와 CHABr)을 활용하여, 별도의 복잡한 합성 과정 없이 자연스럽게 유사 (Quasi)-2D 페로브스카이트 구조를 형성하는 방법을 개발했다.이 방법을 통해 단일 유기 양이온이 이탈하는 현상을 억제하고, 구조적 안정성을 높이면서도 전하 이동을 원활하게 할 수 있도록 설계했다.

새로운 Quasi-2D 구조는 결함 밀도를 줄이고 전자의 이동 경로를 최적화하여, 보다 높은 효율과 안정성을 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 데 기여할 수 있다.

이 같은 최적화된 에너지 레벨 조절은 전하 이동을 원활하게 하여 높은 광-전기 변환 효율 약 26.3%를 기록했다. 또 기존의 2D/3D 구조 방식보다 열적 안정성이 뛰어나 장기간 성능 저하 없이 유지 가능하다. 페로브스카이트 태양전지 상온에

9,000시간 보관했을 때도 100% 가까이 성능을 유지하는 높은 보관 안정성을 보였다.

3.기대효과

이번 연구를 통해 개발된 기술은 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 혁신적인 접근법으로 평가된다. 복잡한 추가 합성 없이도 용액 공정을 통해 쉽게 적용할 수 있는 방식으로, 대면적 제조 및 상업적 활용 가능성이 높다. 차세대 태양전지 개발에 필요한 핵심 기술로, 실제 태양광 발전 시스템에 적용될 수 있는 가능성이 크다. 이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 가까워지는 계기가 될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.할라이드 페로브스카이트 (Halide perovskite)

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. 유기 양이온의 호환성을 기반으로 유도된 중간층 (Interlayer).(a) 두 유기 양이온 사이의 강한 분자 간 상호작용.(b) 유사 2차원 페로브스카이트의 시뮬레이션 예상 구조.(c) 유사 2차원 층의 에너지 준위 정렬 효과. 페로브스카이트 태양전지에서 페로브스카이트와 정공 전달층(HTL) 사이의 원활한 정공 전달을 도와주는 중간층을 개략적으로 나타냄.

그림2. 두 유기 양이온의 조성 비율에 따른 페로브스카이트 중간층의 표면. (좌단) 페로브스카이트 결정의 구조적 안정성을 확인할 수 있다.

그림3. 유사 2차원 중간층 공법을 통해 제조된 페로브스카이트 전지의 효율 및 안정성.(a) 페로브스카이트 태양전지의 J(전류밀도)-V(전압) 커브. (b) 페로브스카이트 태양전지의 시간에 따른 장기 안정성. (c) 페로브스카이트 태양전지의 시간에 따른 보관 안정성.