차세대 고효율 태양 전지 및 LED에 대한 끝없는 연구에서 로스 알라모스 국립 연구소 (Los Alamos National Laboratory)의 과학자들과 협력 업체들은 효율적인 광전자 장치의 설계 및 제조에 있어 더 큰 자유를 허용하는 혁신적인 2D 적층 하이브리드 페로브스카이트를 개발하고 있다. 산업 및 소비자 애플리케이션에는 저비용 태양 전지, LED, 레이저 다이오드, 검출기 및 기타 나노 광전자 장치가 포함될 수 있다.

"우리의 물질은 계층적 화합물이다. 즉, 나노 미터 두께의 페로브스카이트와 같은 2 차원 층의 적층이며, 2 차원 페로브스카이트 레이어는 얇은 유기층으로 분리되어 있다"라고 장-크리스토프 블란콘 (Jean-Christophe Blancon) 박사가 말했다. 그는 최근 과학 저널 사이언스 (Science)의 게재된 논문의 리디 저자이다. 또한 "이 연구는 계층 페로브스카이튼를 기반으로 장치 디자인의 한계에 대한 일반적인 선입견을 뒤집을 수 있다"라고 말했다.

단결정에 가까운 2D의 "루들레스덴-파퍼 (Ruddlesden-Popper)" 박막은 면외 방향을 가지므로 평면 장치에서 페로브스카이트 층을 통해 억제되지 않은 전하 이동이 발생한다. 페로브스카이트 층의 가장자리에서 새로운 연구는 태양 전지의 고효율 (> 12 %)과 LED의 높은 형광 효율 (수십 %)의 핵심 요소인 "층 가장자리 상태 (layer-edge-states)"를 발견했다. 이러한 층 가장자리 상태를 통해 자유 캐리어로의 엑시톤 (결합된 전자-홀 쌍)의 자발적 전환은 광전지 및 발광 박막 박막 재료를 개선하는 열쇠인 것으로 보인다.

연구진은 상 순수 동질 2D 페로브스카이트의 광 물리 및 광전자 특성을 조사했다. 그들은 얇은 막이 강하게 결합된 전자-정공 쌍 (여기자)을 층상 페로브스카이트의 가장자리에서 보다 낮은 에너지 상태에 의해 제공되는 장수명의 자유 캐리어로 분리하는 본질적인 메커니즘을 가지고 있음을 보여줄 수 있었다.

게다가 캐리어가 이러한 에지 상태에 갇히게 되면 비보호 프로세스를 통해 에너지를 잃지 않고 보호된다. 이들은 광전지 (PV) 장치에서 광 전류에 기여하거나 광 방출 응용을 위해 효율적으로 방사 재결합할 수 있다. "이 물질들은 유기 반도체와 무기 반도체 양자 우물의 물리적 성질을 지닌 양자 하이브리드 물질로, 2D 페로브스카이트에서 유기 및 무기 성분의 상호 작용을 이해하기 시작했으며, 이 결과는 경쟁하는 물리적 특성 특성이 어떻게 특이한 특성을 발생시킬 수 있는지 알려준다"라고 로스 알라모스의 물리 화학 및 응용 분광학 그룹의 자레드 크로쳇 (Jared Crochet) 박사가 말했다.

"이 결과는 페로브스카이트 계열뿐만 아니라 에지 및 표면 상태가 광전자 특성을 전반적으로 저하시키는 많은 물질 그룹과 관련이 있으며, 화학적으로 설계 및 공학되어 에너지 효율이 높은 광전자 장치를 이끌어내는 에너지와 효율적인 전하 이동을 달성할 수 있다"라고 로스 알라모스의 재료 합성 및 통합 장치 그룹에서 페로브스카이트 (perovskite) 프로그램을 이끌고있는 아디티아 모히트 (Aditya Mohite) 박사가 전했다.

"2D 하이브리드 페로브스카이트는 계속 놀라움을 보여주고 있다. 우리가 이 재료를 처음 설계했을 때 고품질의 샘플이 새로운 광전자 특성을 나타내기를 바랬다"고 노스웨스턴 대학 (Northwestern University)의 공동 저자인 메르코리 카나키디스 (Mercouri Kanatzidis) 박사가 말했다. 그는 "우리는 기대를 뛰어 넘고 놀라운 시스템으로 판명났다. 우리는 2D 계열에서 아는 것이 조금밖에 없으며 앞으로 계속 많은 것들이 발견될 것이다"라고 말했다.

참고 자료: "Extremely efficient internal exciton dissociation through edge states in layered 2-D perovskites," Science 09 Mar 2017: DOI: 10.1126/science.aal4211