[논문]친환경 페로브스카이트 태양전지 최신 기술 동향

유형렬; 최종민

doi:10.5229/jkes.2019.22.3.104

초록
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금속 할로겐 페로브스카이트 (perovskite)는 우수한 전기적, 광학적 특성으로 인해 차세대 태양전지의 핵심 소재로 큰 주목을 받고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 등장 이후 전례 없는 단기간 효율 향상을 보이며 현재 24% 이상의 인증된 광전 변환 효율을 달성하였지만, 대부분의 고성능 페로브스카이트 태양전지는 유독성 납 (Pb)을 기반으로 한 페로브스카이트를 사용한 것으로, 향후 상용화를 위해서는 납을 쓰지 않는 친환경 페로브스카이트 개발이 필수적이다. 본 글에서는 비납 페로브스카이트 물질 및 연구 동향에 대해서 소개하고자 한다.

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Metal halide perovskite materials are considered as promising semiconducting materials for next-generation solar cells due to their unique electrical and optical properties. Intensive progress in perovskite solar cell yielded a certified power conversion efficiency over 24%. However, most of highly ...

Metal halide perovskite materials are considered as promising semiconducting materials for next-generation solar cells due to their unique electrical and optical properties. Intensive progress in perovskite solar cell yielded a certified power conversion efficiency over 24%. However, most of highly efficient perovskite solar cells required Pb-based perovskite materials, which is a critical obstacle for their commercialization, and development of Pb-free perovskite materials is one of recent urgent issues in this field. In this paper, we will introduce recent research progress on Pb-free perovskite solar cells.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. (a) Crystal structure of CH₃NH₃SnI_3-XBr_X (b) Cross-sectional scanning electron microscopy (SEM) image of CH₃NH₃SnI₃ perovskite solar cell (c) Schematic band alignment of CH₃NH₃SnI_3-XBr_X with TiO₂ and spiro-OMeTAD hole transport material (HTM). Photocurrent density-voltage (J–V) characteristics (d) and corresponding IPCE spectra (e) of perovskite solar cell.⁹⁾
그림 Fig. 2. (a) A schematic of CH₃NH₃SnI₃ perovskite film formation originated from SnI₂ through the SnI₂·3DMSO intermediate. (b) SEM images of the CH₃NH₃SnI₃ perovskite film on mesoporous TiO₂ derived from different solvents.¹⁰⁾
그림 Fig. 3. (a) SEM images of FASnI₃ perovskite film fabricated using various solvents and additives.¹²⁾ (b) Mechanism of hydrazine vapor reaction with Sn-based perovskite materials. Reduction process: 2SnI₆²⁻ + N₂H₄ → 2SnI₄²⁻ + N₂ + 4HI.¹⁴⁾ (c) Schematic illustration of the (101) plane of a (PEA)₂(FA)₈Sn₉I₂₈ (n = 9) 2D perovskite crystal.¹⁶⁾ (d) Schematic crystal structure of 2D/3D FASnI₃ perovskite mixture, and J-V curves under one sun AM 1.5 G condition for devices containing pure 3D and 2D/3D perovskite (the inset shows the device structure).¹⁷⁾
그림 Fig. 4. (a) Schematic energy level diagram of CsGeI₃, MAGeI₃ and FAGeI₃. (b) J-V curves of perovskite solar cells fabricated with different germanium halide perovskites.¹⁸⁾
그림 Fig. 6. Schematic showing the influence of A cation size on the structure of A₃Sb₂I₉.²⁴⁾
그림 Fig. 5. (a) Schematic illustration of the Cs₃Bi₂I₉ structure. The unit cell is marked with the dark lines and the bismuth iodide octahedra are marked with a cyan color.²⁰⁾ (b) Photographs of MA₃Bi₂I₉ (MBI) and MAPbI₃ over time in ambient air.²¹⁾ (c) SEM image of MBI perovskite film deposited by two-step approach - high-vacuum BiI₃ deposition and lowvacuum homogeneous transformation of BiI3 to MA₃Bi₂I₉, and J-V curve of MBI-based perovskite solar cell.²²⁾
그림 Fig. 7. (a) Crystal structure of the ordered double perovskite Cs₂AgBiBr₆. Orange, gray, turquoise, and brown spheres represent Bi, Ag, Cs, and Br atoms, respectively. (b) J-V curve of Cs₂AgBiBr₆ perovskite-based solar cell.²⁶⁾

AI 본문요약
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문제 정의

본 글에서는 비납 페로브스카이트 중에서도 주석 (Sn), 저마늄 (Ge), 비스무스 (Bi), 안티모니 (Sb), 다성분계로 이루어진 페로브스카이트 물질 소개 및 기술 동향에 대해서 살펴보고자 한다.

성능/효과

2%의 인증된 광전 변환효율이 보고된 바 있어, 차세대 태양전지로 큰 주목을 받고 있다.¹⁾ 페로브스카이트의 AMX₃ 분자식에서 A는 Methylammonium (MA) 혹은 Formamidinium(FA) 와 같은 유기 양이온, M은 납 (Pb)과 같은 금속 양이온, X는 Iodide, bromide와 같은 할로겐 음이온으로 이루어져 있다.²⁾
이런 금속들이 첨가된 페로브스카이트는 A₂MM′X₆ 분자식으로 나타낼 수 있고(M′=Ag, Au, Cu, K 등), 이를 더블 페로브스카이트 (double perovskite)라 한다. 다양한 조성이 더블 페로브스카이트구조에 응용될 수 있는데, 이중 독일 뮌헨 대학의 Bein 교수 연구 그룹은 Cs₂AgBiBr₆ 더블 페로브스카이트를 이용하여 2.5%의 효율을 가지는 태양전지를 구현하였고, 중국 베이징 대학의 Xiao 교수 연구 그룹은 Cs₂AgBiBr₆ 기반 태양전지 소자 효율이 30일 동안 유지될 수 있음을 확인하여, 더블 페로브스카이트가 높은 소자 성능 및 물질 안정성을 가질 수 있음을 밝혔다.²⁶⁾

후속연구

페로브스카이트의 광범위한 응용 분야를 고려할 때 고기능성 비납 페로브스카이트를 개발한다면 태양전지뿐만 아니라 LED, 트렌지스터, 센서, 레이저, 촉매 등 다양한 분야에 응용될 수 있는 핵심 소재로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양전지의 성능을 결정 짓는 요소로 무엇이 있는가?	태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 바꿔주는 소자이다. 태양전지의 성능은 크게 광전 변환 효율, 단락 전류, 개방전압, 최대출력 등의 광전 특성 값 및 소자의 안정성(수명) 등으로 결정지어진다. 태양전지의 광흡수 물질은 이러한 요소들을 고려하여 물질의 밴드갭 (band gap) 및 캐리어 확산거리, 전자 혹은 정공 전달 물질간의 밴드위치 (band alignment) 및 상호 작용이 중요하게 고려되어야 한다.
	태양전지란 무엇인가?	태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 바꿔주는 소자이다. 태양전지의 성능은 크게 광전 변환 효율, 단락 전류, 개방전압, 최대출력 등의 광전 특성 값 및 소자의 안정성(수명) 등으로 결정지어진다.
	친환경 페로브스카이트 물질 개발이 필요한 이유는 무엇인가?	하지만 페로브스카이트의 금속 양이온으로 사용되고 있는 납의 경우 WTO에서 제정한 10대 독성 물질 중 하나로, 페로브스카이트가 분해 시 유출되어 심각한 환경 문제를 야기할 수 있다. 따라서 납을 쓰지 않는 친환경 페로브스카이트 물질 개발은 페로브스카이트 상용화를 위한 필수 과제로 여겨진다.

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