초록 ▼

□ 연구개요
본 연구단은 다이나믹 거동을 내재한 반결합-반결합 밴드구조 설계를 통하여, 트랩이 존재하지 않는 (trap-free) 특성과 100% 형광 재결합이 가능한 새로운 반도체를 개발한다. 반결합 결정의 비정상적인 광전자 특성을 광전소자에서 검증하고 이론한계 성능이 가능한 광전소자를 구현한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1 단계(2021-2024년): 반결합제어 결정 설계 및 합성
반결합제어결정 소재 ABX₃ 구조에서 A-site 양이온에 해당하는 물질을 추가로 첨가하여 태양전지

□ 연구개요
본 연구단은 다이나믹 거동을 내재한 반결합-반결합 밴드구조 설계를 통하여, 트랩이 존재하지 않는 (trap-free) 특성과 100% 형광 재결합이 가능한 새로운 반도체를 개발한다. 반결합 결정의 비정상적인 광전자 특성을 광전소자에서 검증하고 이론한계 성능이 가능한 광전소자를 구현한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
1 단계(2021-2024년): 반결합제어 결정 설계 및 합성
반결합제어결정 소재 ABX₃ 구조에서 A-site 양이온에 해당하는 물질을 추가로 첨가하여 태양전지 특성과 A 이온 상관관계를 이해 함 (Adv. Energy Mater. 및 ACS Energy Lett.에 보고). EXAFS 분석을 통해 전압 인가에 따른 Pb-I 결합의 변화 및 이에 따른 전기적 특성 변화를 활용하여 직류전류 마찰전기에 응용 (ACS Energy Lett. 에 보고).
반결합제어결정 소재 중 Pb 기반 박막 제작을 진행 후 전기적, 광학적 특성 분석 진행. 특히, 첨가제(PPD) 연구를 통해 결정성이 개선되고 결정면이 명확한 박막 제조가 가능한 기술을 개발함. 이를 기반으로 광전기적 특성 및 상 안정성이 우수한 광흡수 박막 제작 기술을 확보함. 그뿐만 아니라, 전기전도도 및 결함 특성 개선, 이에 따른 상 안정성 증가가 가능한 다양한 첨가제 연구를 진행 (Joule 및 Science에 연구결과 보고). Pb 기반 태양전지에서 납 유출은 사회 환경적 관점에서 중요한 문제이므로 납 누수 방지를 위한 방법론 및 실험적으로 납 용해를 억제하는 기술을 개발 함(Nature 및 ACS Energy Lett.에 보고)
FA_xCs_1-xPbI₃ 박막 내 FA 및 Cs 양이온의 불균일한 분포를 발견하고, 첨가제를 이용하여 반응속도론을 제어 균일한 양이온 분포의 페로브스카이트 필름을 제작, 역구조 (Inverted) 태양전지에 적용하여 세계 최고 효율 달성 (Nature에 보고). 반결합제어결정 중 저차원 구조의 EOA₂PbI₄의 특이 결합 특성을 활용해 할라이드 소재 중 습도 전지를 최초로 개발 (Energ. Environ. Sci.에 보고).
할라이드 페로브스카이트 선행연구를 기반으로 오비탈 에너지가 비슷하면서 유사한 결정구조를 나타낼 수 있는 후보군을 선정하여 다양한 조성변화에 따른 물질 합성을 시도하였음. 합성 후 X선 분석, 광전 특성을 확인함.
제1단계 연구를 통해 반결합제어결정 소재를 합성하는 데 있어서 설계에 대한 방법을 제시하였고, 기존에 보고되지 않은 기술을 개발하였으며, 구조 분석 및 다양한 전기적, 광학적 특성들을 분석하여 Science, Nature와 같은 최상위 저널을 포함하여 우수한 저널에 해당 연구 결과를 보고함. 이를 바탕으로, 해당 과제의 목표인 이론한 계를 뛰어넘는 새로운 ARC 소재 기반 광전소자를 제작하는 데 활용할 수 있을 것으로 판단 됨.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
▶ 반결합제어결정 소재 중 하나인 Pb 기반 페로브스카이트를 활용한 태양전지의 경우 납 유출은 상용화를 위해 해결되어야 함. 납 유출을 첨가제를 통해 효과적으로 방지할 방법을 발표하였으며, 다양한 방법론을 제시하였으므로 납 유출 방지의 완전한 해결을 앞당겨 상용화에 이바지하였을 것으로 기대됨.
▶ 첨가제 사용과 계면 제어 등과 같은 다양한 방법을 통해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 향상했으며, 특히 세계 최고 효율의 역구조 태양전지를 제작하여 발표함으로써 상용화에 기여하였을 것으로 기대됨.
▶ 반결합제어결정의 합성과 광전특성 평가, 국부 구조 분석을 통해 획득한 경험을 기반으로, 다음 단계에서의 새로운 반결합제어 결정 소재 발굴에 활용할 예정.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구 결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 국내외 관련분야의 환경변화 ... 4
• 1.2 연구개발 목표 및 내용(연구계획서상에 작성된 목표 및 내용을 기술) ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 2.1 1단계 1차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 2.2 1단계 2차년도 수행 과정 및 수행 내용 ... 23
• 2.3 1단계 3차년도 연구 수행 과정 및 수행 내용 ... 42
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 65
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 65
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 65
• 3) 목표 달성 수준 ... 65
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 69
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 69
• 1) 효율 ... 70
• 2) 안정성 ... 70
• 3) 환경 영향 ... 70
• 4) 새로운 적용 ... 70
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 70
• 1) 연구개발의 추진체계 - 연구개발방법론 (접근방법) ... 70
• 2) 연구개발의 추진일정 ... 71
• 3) 연구결과의 활용방안 및 기대효과 ... 71
• 6. 자체점검표 ... 72
• 7. 참고문헌 ... 73
• 끝페이지 ... 108