본 총설에서는 최근 전세계적으로 각광 받고 있는 유기 금속 할라이드 페로브스카이트 소재에서 일어나는 이온 이동 현상에 대한 최신 연구에 대해 정리하였다. 페로브스카이트 물질 조성, 인가전압에 따라 다른 결과들이 보고되었지만, 실제 태양전지 작동 조건에서 iodide 가 이동하는 것으로 보이며, 때로는 methylammonium의 이동도 관찰된다. 페로브스카이트는 상온에서 전자와 이온이 동시에 이동하는 이른바 mixed conductor이고, 이는 페로브스카이트 태양전지 전류-전압곡선의 hysteresis, 장시간 작동에 따른 성능 저하 등에 지대한 영향을 미친다.
본 총설에서는 최근 전세계적으로 각광 받고 있는 유기 금속 할라이드 페로브스카이트 소재에서 일어나는 이온 이동 현상에 대한 최신 연구에 대해 정리하였다. 페로브스카이트 물질 조성, 인가전압에 따라 다른 결과들이 보고되었지만, 실제 태양전지 작동 조건에서 iodide 가 이동하는 것으로 보이며, 때로는 methylammonium의 이동도 관찰된다. 페로브스카이트는 상온에서 전자와 이온이 동시에 이동하는 이른바 mixed conductor이고, 이는 페로브스카이트 태양전지 전류-전압곡선의 hysteresis, 장시간 작동에 따른 성능 저하 등에 지대한 영향을 미친다.
In this review, recent researches on ion transport phenomena in organic metal halide perovskite materials, which have been popular all over the world, are summarized. Although different results have been reported depending on the perovskite material composition and applied voltage, iodide seems to m...
In this review, recent researches on ion transport phenomena in organic metal halide perovskite materials, which have been popular all over the world, are summarized. Although different results have been reported depending on the perovskite material composition and applied voltage, iodide seems to migrate under actual solar cell operating conditions, and occasionally methylammonium migration is observed. Perovskite is a so-called mixed conductor in which electrons and ions move simultaneously at room temperature, which greatly influences the hysteresis of the perovskite solar cell current-voltage curve and the performance degradation due to long-term operation.
In this review, recent researches on ion transport phenomena in organic metal halide perovskite materials, which have been popular all over the world, are summarized. Although different results have been reported depending on the perovskite material composition and applied voltage, iodide seems to migrate under actual solar cell operating conditions, and occasionally methylammonium migration is observed. Perovskite is a so-called mixed conductor in which electrons and ions move simultaneously at room temperature, which greatly influences the hysteresis of the perovskite solar cell current-voltage curve and the performance degradation due to long-term operation.
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문제 정의
본 총설은 최근 차세대 광전소자 재료로 부상하고있는 유기 금속 할라이드 페로브스카이트에서 이온 이동 현상에 대해 살펴 보았다. 우선, 페로브스카이트 이온 이동에 대한 대표적인 보고를 살펴 보고, 실제 작동 소자에서 이러한 이온 이동이 어떠한 영향을 미치는지 고찰하였다.
본 총설은 최근 차세대 광전소자 재료로 부상하고있는 유기 금속 할라이드 페로브스카이트에서 이온 이동 현상에 대해 살펴 보았다. 우선, 페로브스카이트 이온 이동에 대한 대표적인 보고를 살펴 보고, 실제 작동 소자에서 이러한 이온 이동이 어떠한 영향을 미치는지 고찰하였다.
가설 설정
5. (a,b) Counts versus sputtering time for different ions in the Au/HSL/perovskite/TiO2/FTO architecture in (a) fresh cells and (b) degraded devices with over 60% efficiency loss. (c) Schematic of the electric field distribution in perovskite solar cells and the corresponding direction of ion migration.
a) DC polarization curve for a C|MAPbI3|C cell measured at 30oC in Ar flow by applying a current of 2nA. b) Voltage versus square root of time up to 104 seconds. c) Semi-log plot of voltage versus time at longer time scale.
b) Voltage versus square root of time up to 104 seconds. c) Semi-log plot of voltage versus time at longer time scale. d) Equivalent circuit mimicking the DC polarization (Reon: electronic resistance, Rion, ionic resistance, Cδ: chemical capacitance).
성능/효과
Zhao 등은 lateral device 를 제작하여 광조사 조건에서 광범위 온도에서 이온 이동을 측정하였다.22) 측정결과 암조건에 비해 광조사시 이온이동에 대한 활성화 에너지(activation energy) 가 약 5배 감소함을 보였다. 즉, 광조사 상황에서 페로브스카이트 내 이온 이동이 훨씬 쉽게 일어나는 것이다.
음이온은 (+)극으로 이동하고 전기중성을 맞추기 위해 p-doping 되어진고, 양이온은 (-)극으로 이동하여 n-doping 되게된다. 결과적으로 애초에 intrinsic 상태였던 페로브스카이트 물질이 n-i-p 구조를 갖게 된다. 이렇게 전기장에 의한 도핑은 가역적이어서 양방향으로 원하는 만큼 극성을 바꿀 수 있다.
또한, Tubant’s method 를 사용하여 어떤 이온이 이동하는지 판명하였을 때, I- 가 이동함을 보였고, 이는 기존 CsPbI3 등 무기 페로브스카이트 물질에서 이온 이동 측정 결과와 일치하는 것이다.
이러한 광증강 (light-enhanced) 이온 이동현상은 mixed halide perovskite인 MAPb(I1-xBrx)3에서 광조사시 상분리 (phase segregation) 가 일어나는 현상을 설명해준다. 즉, 고밴드갭 (wide-bandgap) 페로브스카이트 물질인 MAPb(I1-xBrx)3는 광조사 환경에서 이온 이동이 매우 빨라져서 I와 Br의 상분리 (segregation)에 의해 애초 의도했던 고밴드갭 물질로 역할을 하지 못함을 보였다.23) 한편 동일 저자의 후속 논문에서는 MA가 Cs으로 치환된 CsPbI3 페로브스카이트에서는 이러한 이온이동의 활성화 에너지가 광조사 여부에 의존하지 않 음을 보였다.
후속연구
특히, 상온에서 전자 이동과 이온 이동이 동시에 일어나는 mixed conductor인데, 이것은 페로브스카이트 태양전지 소자의 hysteresis, 이온 이동에 의한 성능저하 등 소자 성능에 상당한 영향을 미친다. 앞으로 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해서는 페로브스카이트 태양전지의 장기 신뢰성을 확보하는 것이 매우 중요하므로, 페로브스카이트 물질 내 이온 이동에 대한 이해를 넓히고 이를 제어하는 방법을 찾는 것이 매우 중요한 연구점이 될 것으로 전망한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CH3NH3PbI3는 어떻게 구성되어 있는가?
대표적 페로브스카이트 소재인 CH3NH3PbI3 는 유기(organic)와 무기(inorganic)의 하이브리드 구조로 이루어지며, 상온에서 스핀코팅 등 저렴한 용액공정을 통해서 합성될 수 있고, 고품질 단결정 반도체 수준의 높은 광흡수계수, 높은 전하 이동도 (charge mobility), 긴 확산 거리 등 우수한 성능을 보인다. 양이온과 음이온으로 구성된 강한 이온성 물질이며, 이온 크기가 너무 크거나 작으면 결정 구조가 깨지기 때문에 소수의 양이온과 음이온의 조합으로만 구성될 수 있다.
CH3NH3PbI3의 합성법과 특징은 어떤것들이 있는가?
대표적 페로브스카이트 소재인 CH3NH3PbI3 는 유기(organic)와 무기(inorganic)의 하이브리드 구조로 이루어지며, 상온에서 스핀코팅 등 저렴한 용액공정을 통해서 합성될 수 있고, 고품질 단결정 반도체 수준의 높은 광흡수계수, 높은 전하 이동도 (charge mobility), 긴 확산 거리 등 우수한 성능을 보인다. 양이온과 음이온으로 구성된 강한 이온성 물질이며, 이온 크기가 너무 크거나 작으면 결정 구조가 깨지기 때문에 소수의 양이온과 음이온의 조합으로만 구성될 수 있다.
페로브스카이트 태양전지의 히스테리시스, 장기 성능저하, 거대 유전율의 원인이 되는 것은?
이러한 페로브스카이트 물질은 기존의 다른 반도체 물질에 비해 상당히 특이한 특성을 보이는데, 대표적인 것이 상온에서 이온 이동 현상이다. 즉, 전기장 하에서 전자 및 정공의 이동에 더해 이온 이동이 관찰된다. 기존에도 무기 페로브스카이트 물질에서 이온이동이 보고되었으나, 대부분 고온에서 관찰되며 상온에서 전자 이동에 버금가는 이온 이동이 관찰되는 것은 매우 이례적이다.
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