[논문]비납 페로브스카이트 태양전지

이선주

비납 페로브스카이트 태양전지 원문보기

태양광발전학회 = Bulletin of the Korea Photovoltaic Society, v.3 no.1, 2017년, pp.6 - 16

이선주 (그린화학소재연구본부, 한국화학연구원)

초록
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페로브스카이트 태양전지는 광흡수층으로 사용하는 페로브스카이트 물질의 우수한 전기적, 광학적 성질 덕분에 단기간에 전례 없는 효율 향상을 이루어 유망한 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 그와 함께 중심 금속으로 사용되는 독성의 납을 대체하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 원고에서는 비납 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지 연구 동향과 향후 전망에 대해 논하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

본 원고에서는 이러한 비납 페로브스카이트 태양전지중에서도 특히 중심 금속으로 Sn, Bi, Ge를 사용하는 페로브스카이트 물질의 연구 동향에 대해 살펴보고, 향후 나아가야할 방향에 대해 논하고자 한다.
지금까지 비납 페로브스카이트 물질로 많이 연구되어진 Sn, Bi, Ge 기반 페로브스카이트 태양전지에 관한 연구 동향과 앞으로 나아가야할 방향에 대해 살펴보았다. 여기서 소개한 원소 이외에도 Sb나 전이금속인 Cu를 중심 금속으로 하는 페로브스카이트 물질에 대한 연구도 계속적으로 진행되고 있으나, Pb 기반의 페로브스카이트 물질의 성능을 따라가기 위해서는 더 많은 연구와 기술 개발이 이루어져야 할 것으로 보인다.

제안 방법

일반적으로 합성되는 1가 양이온을 포함하는 Bi 기반의 페로브스카이트 물질은 낮은 차원의 물질로 넓은 밴드갭을 갖는다. 3D 구조를 유지하는 Bi 기반의 페로브스카이트 물질을 개발하기 위해 B 사이트의 Pb²⁺를 1가 양이온과 3가 양이온(Bi³⁺)으로 대체하여 더블 페로브스카이트 구조(AⅠ2BⅠBⅢX6)를 형성하는 접근법이 시도되었다. 미국 Standford 대학의 Hemalala I.
또한 글러브 박스에서 소자를 제작한다고 할지라도 Sn²⁺의 산화를 완벽하게 제어하는 것이 어렵기 때문에 많은 연구자들이 이를 해결하기 위한 연구를 진행하고 있다. Sn 기반 페로브스카이트 태양전지의 연구 동향을 페로브스카이트 물질, 박막 제조 공정, 소자 구조로 나누어 살펴보도록 하겠다.

성능/효과

Kanatzidis 연구팀은 A 사이트에 다양한 유기 암모늄을 도입한 Ge 기반의 페로브스카이트 물질을 합성하였다. (1) CsGeI₃, (2) MAGeI₃, (3) FAGeI₃, (4) acetamidinium, CH₃C(NH₂)₂GeI₃, (5) guanidinium, C(NH₂)3GeI₃, (6) trimethylammonium, (CH₃)3NHGeI₃, (7) isopropylammonium, (CH₃)₂C(H)NH₃GeI₃) 유기 양이온의 크기가 증가할수록 밴드갭이 증가하는 경향을 보였고, (1) 1.6eV, (2) 1.9eV, (3) 2.2eV, (4) 2.5eV, (5) 2.7eV, (6) 2.5eV, (7) 2.8eV, (1)-(4)는 3D 페로브스카이트 구조를, (5)-(7)는 1D 사슬구조를 갖는다는 것을 밝혔다.^[21]
최외각 5s 오비탈에 있는 두 개의 전자는 매우 불안정하여 쉽게 산화된다. 그 결과 Sn²⁺ 기반의 페로브스카이트 물질은 공기 중에서 쉽게 Sn⁴⁺로 산화되면서 p-type self-doping 효과가 나타나게 되고, 그로 인해 물질의 hole carrier density가 매우 높아져 태양전지 제작 시 성능이 매우 저하된다. 따라서 글러브 박스와 같이 수분과 산소가 제어된 환경에서 소자를 제작하여야 하며 소자 제작 이후에도 적절한 봉지화 과정이 필요하다.
이는 Cs₂AgBiBr₆가 높은 defect tolerance를 갖는다는 것을 의미한다. 또한 수분과 빛에 노출되었을 때 MAPb_I3와 MAPbBr₃에 비해 안정하다는 것을 확인하였다. 영국 Oxford 대학의 Henry J.
Mathews 교수팀은 CsSnI₃ 박막형성 시 SnF₂를 함께 첨가하면, Sn⁴⁺의 형성이 어느 정도 제어되고 defect 농도가 감소하여 소자 효율이 향상한다는 것을 처음으로 발표하였고,^[9] 그 이후 많은 연구자들이 Sn 기반의 페로브스카이트 물질에 SnF₂를 함께 사용하기 시작했다. 또한 화학 상태도 계산을 통한 열역학적 분석을 통해 CsSnI₃와 SnF₂ 두 가지 상이 공존할 때 Sn vacancy 형성 에너지가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다(그림 5). 2016년 중국의 X.
뿐만 아니라 VASP 방법으로 만들어진 박막이 일반적인 용액 공정으로 얻어진 박막에 비해 PL lifetime이 더 길어지는 것을 확인하였다.
^[25] 이 새로운 조성의 물질은 알칼리 금속 이온 대신 은 이온을 도입함으로써 얻어질 수 있었다. 열처리 온도를 90도에서 150도까지 조절하여 200-800 nm grain 사이즈를 갖는 핀홀 없는 막을 제작할 수 있었고, 1.22%의 최고효율을 얻었다. AgBi₂I₇은 1.

후속연구

최근 간단한 봉지화 기술을 통해 Sn 기반 페로브스카이트 소자의 장기 안정성을 확보할 수 있다는 결과가 보고되었다.^[14]다양한 학문 분야의 연구 접근을 통해 Pb 기반 페로브스카이트 태양전지에 버금가는 연구 발전을 이루어낼 수 있을 것으로 기대한다.
새로운 페로브스카이트 물질에 따른 층간 소재의 개발도 필수적이다. 개발된 비납 페로브스카이트 물질은 태양전지뿐만 아니라 laser, detector, transistor, LED 등 다양한 분야에도 활용 가능할 것이라고 기대한다.
여기서 소개한 원소 이외에도 Sb나 전이금속인 Cu를 중심 금속으로 하는 페로브스카이트 물질에 대한 연구도 계속적으로 진행되고 있으나, Pb 기반의 페로브스카이트 물질의 성능을 따라가기 위해서는 더 많은 연구와 기술 개발이 이루어져야 할 것으로 보인다. 그러기 위해서 물질의 근본적인 물리적, 광학적, 전기적 성질에 대한 깊이 있는 이해와 물성을 개선하기 위한 새로운 접근법이 필요할 것이다. 그외에도 이론적 계산을 통해 가능성 있는 새로운 소재를 도출하고, 현존하는 기술과 새로운 기술을 접목하여 마이크로/나노 구조를 제어하려는 노력이 계속되어야 할 것이다.
지금까지 비납 페로브스카이트 물질로 많이 연구되어진 Sn, Bi, Ge 기반 페로브스카이트 태양전지에 관한 연구 동향과 앞으로 나아가야할 방향에 대해 살펴보았다. 여기서 소개한 원소 이외에도 Sb나 전이금속인 Cu를 중심 금속으로 하는 페로브스카이트 물질에 대한 연구도 계속적으로 진행되고 있으나, Pb 기반의 페로브스카이트 물질의 성능을 따라가기 위해서는 더 많은 연구와 기술 개발이 이루어져야 할 것으로 보인다. 그러기 위해서 물질의 근본적인 물리적, 광학적, 전기적 성질에 대한 깊이 있는 이해와 물성을 개선하기 위한 새로운 접근법이 필요할 것이다.
을 안정화시키는 기술을 통한 개방전압의 향상이 가장 시급한 과제이다. 이와 더불어 이상적인 소자 구조의 설계와 Sn 기반 페로브스카이트의 에너지 구조에 맞는 층간 소재의 개발이 함께 이루어져야 할 것이다. 최근 간단한 봉지화 기술을 통해 Sn 기반 페로브스카이트 소자의 장기 안정성을 확보할 수 있다는 결과가 보고되었다.
와 같은 족에 속하는 원소임에도 불구하고, 낮은 용해도로 인해 박막을 만드는 공정에 어려움이 있어 아직까지 거의 연구가 진행되지 않았다. 향후 새로운 첨가제를 도입하는 등 용해도를 개선하기 위한 노력과 페로브스카이트의 결정화를 제어하여 박막의 모폴로지를 향상시키는 연구가 함께 진행되어야 할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	페로브스카이트 물질은 왜 미래 태양전지로 각광 받고 있는가?	이런 많은 장점들과 더불어 고품질 박막 형성 기술의 개발을 통해 단기간에 빠른 효율 증가가 가능할 수 있었다. 페로브스카이트 물질은 저온에서 용액 공정으로 박막 제작이 가능할 뿐만 아니라 저가화가 가능하기 때문에 미래 태양전지로 각광 받고 있다. 또한 대면적 모듈화와 내구성 확보가 함께 이루어진다면 조기에 상용화가 가능할 것이라는 예측도 있다.
	페로브스카이트 태양전지에서 Sn 물질로 Pb를 대체하였을 때 어떤 효과를 기대할 수 있는가?	Pb와 같은 14족에 속하는 원소인 Sn은 이온 반지름이 Pb와 유사하기 때문에 Pb를 대체하였을 때 페로브스카이트 구조를 안정하게 유지할 수 있을 뿐만 아니라 ShockleyQueisser limit에서 정의하는 단일 접합 태양전지의 이상적인 밴드갭(1.34eV)에 가까운 좁은 밴드갭을 갖는다. 또한 Pb 기반의 페로브스카이트 물질에 비해 carrier mobility가 10~100배 가량 높고(102-103cm2/V․ s), 상온에서 안정한 단일상을 갖는다. 이러한 우수한 전기적, 광학적 특성 때문에, Pb를 대체하기 위한 여러 후보군 중에서도 Sn이 가장 유망한 물질로 꼽힌다.
	페로브스카이트 할로겐화물이 포함하고 있는 납은 어떠한 유해성이 있는가?	그러나, 한편으로는 광흡수층으로 주로 사용되는 페로브스카이트 할로겐화물이 포함하고 있는 납의 유해성에 관한 우려도 있다. 납은 환경적인 측면에서 뿐만 아니라 인체에도 매우 유해한 원소로, 상용화되어 사용될 경우 그에 따른 부작용을 초래할 수 있다. 따라서 최근 들어 납을 대체하기 위한 비납 페로브스카이트 물질에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하게 이루어지고 있는 실정이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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