[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

페로브스카이트는 결정화 과정에서 매우 빠르고 통제되지 않은 경로를 따라 형성되기 때문에, 필연적으로 결정 내에서 다양한 방향성과 결함이 발생하게 됩니다. 이러한 문제는 기판의 불규칙성에서 비롯될 수 있으며, 열팽창 계수나 격자 불일치로 인해 페로브스카이트 결정의 불규칙한 성장이 촉진되면서 박막 하부에 결함이 더욱 증가합니다. 이러한 하부 결함은 부적절한 격자 변형, 낮은 결정성, 높은 결함 밀도 등 여러 부정적인 영향을 초래할 수 있습니다. 특히, 유도된 격자 변형은 페로브스카이트의 전기적 특성을 변화시켜 낮은 효율성과 안정성을 야기할 수 있습니다.

2. 연구내용

본 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 효율성과 안정성을 개선하기 위해, 주석산화물(SnO2) 전자 수송층과 페로브스카이트 광활성층 사이에 트리플루오로아세테이트(TFA-) 유사 할라이드 음이온을 삽입하는 방법을 제시했습니다. TFA-의 카복실레이트 그룹(-COO-)은 주석산화물에 고정되어 앵커 역할을 하며, –CF3 그룹은 페로브스카이트 층과 긴밀하게 상호작용할 수 있도록 돕습니다. 페로브스카이트의 포름아미디늄(FA+)과 수소 결합, Pb-I와 할로겐 결합을 통해 강력한 상호작용이 이루어지며, 이를 통해 페로브스카이트 결정이 주기적 질서를 유지하며 수직으로 성장할 수 있게 됩니다. 또한, TFA- 유사 할라이드 음이온이 요오드화 결함과 높은 결합 친화성을 갖고 있어, 페로브스카이트 내의 결함을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 이로 인해, 주석산화물과 페로브스카이트 사이의 잔여 인장 변형이 감소하고, 결함이 적은 단일 결정립이 형성된 페로브스카이트 결정이 나타나게 됩니다. 또한, 두 층 사이의 에너지 밴드 차이를 줄여 비방사 경로의 형성을 억제함으로써, 수명이 긴 전하 운반체가 형성됩니다. 이로써 최종적으로 높은 결정성을 가진 페로브스카이트가 25.60%의 광전변환효율(인증 효율 25.39%)을 달성하며, 1000시간 동안의 장기 광조사 후에도 초기 효율 대비 우수한 안정성을 유지할 수 있었습니다.

3. 기대효과

이번 연구를 통해 페로브스카이트 결정의 방향성이 향상되어 내부 결함이 줄어들고, 전하 운반 특성이 강화됨으로써 효율이 크게 향상되었습니다. 이 기술은 고효율과 고안정성을 동시에 실현함으로써, 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대됩니다.

[용어설명]

1. 양방향 조율 분자 (Bidirectional Coordinator)

주석산화물 (SnO2) 전자수송층과 상호작용을 하면서도 페로브스카이트 광활성층과도 동시적으로 상호작용을 하는 분자

2. 박막 하부층 인터페이스 (Buried Interface)

전자수송층과 페로브스카이트 광활성층 하부층 사이를 일컫는 용어로서, 페로브스카이트 박막에서 결함을 적절하게 줄이는 것이 가장 힘든 부분이다.

[그림설명]

그림1. 양방향 조율 분자 도입을 통한 페로브스카이트 결정성 변화 및 두께-기반 광발광 분석 개략도

양방향 조율 분자 도입 전에는 빠르고 페로브스카이트 결정이 형성되어 박막하부의 결함을 조절하기가 어렵다. 그 결과 두께 기반 광발광을 분석했을 때 밴드갭이 확장되어 광발광이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 반면, 양방향 조율 분자 도입을 통해 결정 형성을 조절하였을 경우 균일한 페로브스카이트 결정성이 나타난다. 그 결과, 두께 기반 광발광 분석에서 기존에 나타나는 밴드갭 차이가 줄어듦을 확인 할 수 있다.

그림2. 양방향 조율 분자 도입을 통한 페로브스카이트 결정성 변화, 잔여 인장 변형, 두께-기반 광발광 분석 그리고 결정 구조 방향성 분석 개략도

양방향 조율 분자 도입 전에는 빠르고 페로브스카이트 결정이 형성되어 박막하부의 결함을 조절하기가 어렵다. 그 결과 결정립이 다양하게 나타나고, 잔여 인장이 크게 존재하며 방향성이 좋지 않음을 확인 할 수 있다. 반면, 양방향 조율 분자 도입을 통해 결정 형성을 조절하였을 경우 단일 결정립이 나타나고, 잔여 인장 변형이 크게 줄어들며 결정성이 수직방향으로 크게 향상 되었음을 확인 할 수 있다. 

그림3. 페로브스카이트와 양방향 조율 분자와의 상호작용 분석 및 결함 밀도 조사 개략도

페로브스카이트와 양방향 조율 분자 사이 상호작용의 정도를 두 가지 조건에 대해서 흡착 에너지를 조사하여 TFA-가 가장 좋은 것을 확인했다. 페로브스카이트 내 아이오딘 결함이 크게 줄어들었음을 확인 할 수 있었다.