고효율 페로브스카이트 태양전지 구현-용액 공정을 통한 페로브스카이트 박막 이종접합 형성 및 전하거동 특성 규명

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2021. 10. 18.

고효율 페로브스카이트 태양전지 구현-용액 공정을 통한 페로브스카이트 박막 이종접합 형성 및 전하거동 특성 규명

등록일2021.10.18.

 

 

고효율 페로브스카이트 태양전지 구현 

용액 공정을 통한 페로브스카이트 박막 이종접합 형성 및 전하거동 특성 규명

 

 

□ 후처리 필요 없는 간단한 용액 공정으로 만든 페로브스카이트 태양전지의 효율(23.91%)을 실리콘 태양전지 효율(26.7%)에 가깝게 향상시킨 연구결과가 나왔다. 

   ※ 페로브스카이트 태양전지 : 페로브스카이트 구조의 유·무기 금속 할라이드 소재를 광흡수층으로 사용한 박막형 차세대 고효율 태양전지

 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 신현정, 박남규 교수(성균관대학교) 연구팀이 박종혁 교수(연세대학교) 연구팀과 함께 페로브스카이트 이종접합 구조에서의 전하거동 특성을 제어한 고효율 페로브스카이트 태양전지*를 제안했다고 밝혔다. 

  ○ 이번 연구에는 포항공대 이동화 교수 연구팀의 이론연구와 포항가속기연구소 안형주 박사의 가속기 고도분석도 포함되었다.

  ○ 기존에도 이종접합 구조의 페로브스카이트에 대한 연구는 있었으나 후처리를 동반하는 공정이었다. 

 

□ 태양전지의 광전변환효율은 광흡수층으로 쓰이는 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 얼마나 보완하고 제어할 수 있는지가 관건이다.  

  ○ 표면의 납 및 요오드 계열의 결함 등이 광흡수를 통해 만들어낸 광전하들을 가두는 트랩으로 작용하여 광전변환 효율을 떨어뜨리기 때문이다. 

□ 연구팀은 광전변환 능력이 부족한 2차원 구조의 페로브스카이트와 광흡수층으로 사용하기에 적절한 밴드갭을 가지는 3차원 구조의 페로브스카이트를 접합하고자 하였다. 

   ※ 2차원, 3차원 페로브스카이트 구조 : 2차원 페로브스카이트는 층상구조 형태를 나타내기 때문에 수직방향의 전하의 이동이 제한된다. 그에 반해 3차원 페로브스카이트 구조는 결정이 연속적인 형태이기 때문에 전하의 이동이 자유롭다.

 ○ 기존에도 2차원 및 3차원 페로브스카이트를 접합하려는 시도가 있었으나, 2차원 물질의 높은 생성 에너지로 인해 열처리 혹은 압력을 통한 후 공정이 요구되는 한계가 있었다.

 

□ 이를 위해 열을 가하는 후처리를 생략할 수 있도록 자발적으로 2차원 평면 페로브스카이트 구조를 형성하기에 적합한 분자를 탐색하였다. 

 ○ 용매와 분자 사이 최적의 화학반응으로 3차원 페로브스카이트 표면에 2차원 형태의 입체 구조가 자발적으로 접합되도록 유도 하였다. 

 

□ 실제 이렇게 만들어진 이종접합 구조에서는 계단식 에너지 밴드 정렬로 인해 전하수송이 원활해지면서 광전하 추출효율이 높아져 23.91%의 광전효율변환 특성을 보였다. 

  ○ 기존 단일 구조에서의 광전변환효율은 20.41% 수준이다. 

 

□ 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 신소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 9월 20일 게재(온라인)되었다. 학술적 진보성을 인정받아 해당 저널 issue 42 (2021) 커버 사진으로 채택되었다.

 

주요내용 설명

 

  <작성 : 성균관대학교 신현정 교수>

 

논문명

Cyclohexylammonium-based 2D/3D Perovskite Heterojunction with Funnel-like Energy Band Alignment for Efficient Solar Cells (23.91 %)

저널명 

Advanced Energy Materials

키워드 

Highly efficient peorvksite solar cells (고효율 페로브스카이트 태양전지)

Peorvksite heterojunction (페로브스카이트 이종접합)

Surface passivation (표면 패시베이션)

gradual 2D perovskite phase (점진적 페로브스카이트 상)

DOI

10.1002/aenm.202102236

저  자

정성화 석박사통합과정생 (1저자/성균관대학교), 서성록 박사 (공동 1저자/성균관대학교), 양현우 박사(공동저자/성균관대학교), 박형민 석박사통합과정생 (공동저자/성균관대학교), 신수은 석박사통합과정생 (공동저자/성균관대학교), 안형주 박사 (공동저자/포항 가속기 연구소), 이동화 교수 (공동저자/포스텍), 박종혁 교수(공동 교신저자/연세대학교), 박남규 교수(공동 교신저자/성균관대학교), 신현정 교수(교신저자/성균관대학교)

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 태양전지에서 광전변환효율은 입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 출력되는 전기에너지의 비율로 빛이 전기로 전환되는 비율을 의미하며, 태양전지의 특성을 평가하는 가장 중요한 결과이다. 

 ○ 유·무기 금속 할라이드 소재인 페로브스카이트는 쉬운 용액 공정 및 저온 공정 기반임에도 불구하고 높은 광전변환효율로 차세대 태양전지의 유력한 후보로 거론된다.

 ○ 페로브스카이트 광 흡수층 박막 제작 공정 시, 박막 표면에 이온 결합을 하지 못하거나 외부의 환경에 노출로 인한 열화로 결함이 필연적으로 발생하게 된다. 이러한 표면 결함은 빛에 의해 생성된 광전자/정공의 재결합을 유도하는 역할을 하여, 태양전지의 성능을 저하시키는 요인이 된다.

 ○ 그러므로 표면 패시베이션(surface passivation) 공정을 이용하여 박막 표면의 결함을 줄이고, 광전자/정공을 온전히 금속 전극으로 추출하는 방법이 필요하다.

2. 연구내용 

 ○ 본 연구에서 사이클로헥실암모늄 계열의 분자/양이온*을 도입하고 쉬운 용액 공정 및 후 열처리를 배제한 공정을 통해, 3D 페로브스카이트 표면에 2D 페로브스카이트*를 형성한 페로브스카이트 이종접합(perovskite heterojuncion) 구조를 증착하였다. 

       ※사이클로헥실암모늄(cyclohexylammonium) 계열 : 사이클로헥실아민의 암모늄 형태로 주로 2D 페로브스카이트의 양이온으로 이용된다. 이번 연구에서는 결함과 화학적 반응을 유도하여 패시베이션 효과를 기대하고 이용하였다. 

       ※2D 페로브스카이트 : 사이클로헥실암모늄 계열의 페로브스카이트(CHA2PbI4, CHMA2PbI4) 

 ○ 용액 공정을 통해 증착된 페로브스카이트 이종접합 구조는 X선 회절 분석 (x-ray diffraction)을 통해 확인하였다. 또한 광발광 분석(steady-state photo lumine sence)을 통해 3D 페로브스카이트에서 생성된 광정공이 2D 페로브스카이트에 의해 자발적으로 추출이 되는 퀜칭 현상을 발견하였다. 이는 2D 페로브스카이트의 가전자대 영역이 정공을 추출함에 유리하게 형성됨을 보여준다. 

 ○ 또한 자외선 광전자 분광법(ultraviolet photoelectron spectroscopy)을 이용해 검증하였다. 더불어 계면 저항 및 표면 결함 농도를 낮추는 역할을 보였다.

 ○ 그 결과 페로브스카이트 이종접합 기반의 소자에서 광전변환효율이 23.91%로 기존의 소자(20.41%)에 비해 보다 더 향상된 성능을 얻을 수 있었다. 이는 주로 광정공의 원활하고 온전한 추출로 인한 개방전압(Voc)과 충전율(FF)의 상승에 기인한다.

 ○ 더불어 2D 페로브스카이트 형성 과정 중 표면에서, 층(n)의 수가 다른 CHMA2(FA)n-1PbnI3n+1 구조, 즉 점진적 상(gradual phase)이 자발적반응으로 형성됨을 그레이징 입사 X선 산란(Grazing incidence wide-angle X-ray scattering) 분석을 통해 관찰하였다. 

 ○ 자발적인 페로브스카이트의 배열이 가전자대의 funnel-like 배열을 형성함을 밀도범함수 이론(density functional theory) 시뮬레이션을 통해 증명하였고, 절연 특성을 가진 2D 페로브스카이트 패시베이션이 역설적으로 정공 수송에 유리함에 대한 매커니즘을 분석하였다.

 

3. 기대효과

 ○ 사이클로헥실암모늄 계열의 분자를 이용한 간단한 용액 공정을 통해 표면 패시베이션이 페로브스카이트 이종접합 구조를 형성함을 확인하였고, 이는 태양전지의 광전변환효율을 향상시킴을 증명하였다. 나아가 광정공의 추출 매커니즘과 페로브스카이트의 구조적 분석의 상관관계를 규명하였다.

 ○ 본 연구에서 사용된 사이클로헥실암모늄 계열의 분자는 낮은 형성 에너지 (formation energy)로 인해 2D 페로브스카이트 구조를 형성하기가 쉽다. 적절한 양이온의 선택을 통해 페로브스카이트 이종접합 구조를 쉽게 형성, 효율 향상에 기여할 수 있다는 것이다. 또 후처리를 배제한 용액 공정으로 규모 확장성(scalable) 측면에서도 잠재력이 높다. 

 

 

그림 설명

 

 

 

 

 

(그림1) 페로브스카이트 태양전지 구조와 밴드 정렬된 이종접합구조 모식도

(좌) 페로브스카이트 태양전지는 빛을 흡수하여 전자/정공을 생성하는 페로브 스카이트 광흡수층(그림에서 검정색으로 표시)과 이를 적절하게 추출/수송하기 위한 전자수송층(SnO2, 그림에서 붉은색층으로 표시) 및 정공 수송층 (Spiro-OMeTAD, 그림에서 회색층으로 표시)로 이루어져 있다. 

용액 및 저온 공정을 통해 페로브스카이트 박막이 제작되기 때문에 표면에 결함이 불가피하게 생성되며, 결함을 치유하기 위해 표면에 사이클로헥실암모늄 기반의 2D 페로브스카이트 기반의 이종접합 구조를 형성하여 정공 추출/수송 능력을 향상시키도록 설계하였다.

(우) 설계된 2D/3D 페로브스카이트의 에너지 밴드 정렬 구조의 모식도. 3D  (FAPbI3)에 비해 높은 전도대 및 가전자대 에너지 구조를 가진 2D 페로브스카이트 (CHMA2PbI4, CHA2PbI4)의 이종접합을 통해 전자의 이동을 억제하고 정공을 원활하게 추출/수송할 수 있음을 규명하였다. 

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 신현정 교수

 

 

 

 

 

(그림2) 페로브스카이트 이종접합 구조에서 정공 거동 특성과 결함 농도와 그에따른 광전변환효율 특성

(좌) 2D/3D 페로브스카이트 이종접합 구조에서 정공의 자발적인 추출에 의해 광발광 특성의 퀜칭 현상 발생하였다. 또한 2D 페로브스카이트에 의해 표면 결함이 치유되어 결함 농도가 감소 하는 양상을 보여주었다.

(우) 태양전지 소자의 이종접합 유무에 따른 광전변환 효율 특성 측정 결과. 2D 페로브스카이트가 도입된 이종접합 박막 기반의 소자에서는 광전변환 효율 특성이 20.41%에서 23.91%로 증가한 경향성을 보였다.

그림설명 및 그림제공: 성균관대학교 신현정 교수

 

 

 

 

 

(그림3) 페로브스카이트의 박막의 중간 구조와 컨덕턴스

(좌) 2D/3D 페로브스카이트 이종접합 구조 형성 과정 중 중간 구조의 페로브스카이트가 형성된다. 결국 페로브스카이트의 점진적 구조 형성과 가전자대 에너지 밴드 정렬을 통해 정공이 이동함을 규명하였다. 

(우) 페로브스카이트 구조에 따른 컨덕턴스 측정 값. CHMAI라고 표시된 2D 페로브스카이트는 구조적 특성상 전기적으로 절연 특성을 보인다. 반면, FA100 이라고 표시된 3D 페로브스카이트 뿐만 아니라 2D/3D 중간 구조의 박막도 전도 특성을 보였다. 이 결과는 3D 페로브스카이트로부터 생성된 정공이 2D 페로브 스카이트로 효율적으로 이동하는 현상을 뒷받침 한다.

그림설명 및 그림제공 : 성균관대학교 신현정 교수

 

Reproduced with permission from ref (1). Copyright, 2021 John Wiley and Sons.

위 성과그림은 2021 John Wiley and Sons. 사의 허가를 받아 재사용되었음.

1. Jeong, Seonghwa, et al. "Cyclohexylammonium‐Based 2D/3D Perovskite Heterojunction with Funnel‐Like Energy Band Alignment for Efficient Solar Cells (23.91%)." Advanced Energy Materials (2021): 2102236.

 

연구 이야기

 

                                         <작성 : 성균관대학교 신현정 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

 

페로브스카이트 물질은 차세대 실리콘을 대체할 가장 유력한 광흡수층 물질이라고 생각한다. 우리 연구실에서는 주로 무기물을 이용한 전하 수송층과 페로브스카이트 태양전지에 대한 다양한 연구를 진행해 왔다. 하지만 고효율 특성을 가진 페로브스카이트 태양전지를 제작하기 위해 표면 패시베이션의 필요성을 느끼게 되었고, 적절한 페로브스카이트 양이온 탐색과 문헌 조사를 통해 이종접합에 대한 연구를 수행하게 되었다.

 

 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 

처음에는 다양한 유기물 소재를 도입하여 광전변환 효율을 향상시키기 위한 연구를 수행해 왔다. 그 중 본 연구에서 사용된 유기물 분자의 경우 간단한 용액공정만으로 이종접합 구조를 형성함을 발견하였고, 시뮬레이션을 통해 사이클로헥실암모늄 기반의 2D 페로브스카이트 상이 낮은 형성에너지 덕분에 자발적인 이종접합을 형성한다는 것을 확인하였다. 더불어 페로브스카이트 구조 분석을 다양하게 진행하면서 동시에 모델링 실험을 통해서 funnel-like 가전자대 형성을 증명하였다. 이로 바탕으로 이종접합 구조 및 소자에서 발생하는 정공 추출 및 수송에 대한 현상에 대한 증거를 찾을 수 있었다. 결국 증가된 광전변환효율 특성을 보였고, 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현할 수 있었다.

 

 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 

최대의 광전변환 효율 특성 발현을 위해서는 표면에 적절한 층(n) 수를 가진 박막을 도포하는 작업이 필요했다. 페로브스카이트 박막은 상당히 많은 변수에 의해 제어될 수 있다고 생각했다. 그에 따라 박막의 품질 최적화 작업을 위해 다양한 용매의 선택, 양이온의 적절한 농도 조절 및 박막의 증착 조건과 같은 많은 시행착오를 거쳤다. 그 뿐 아니라, 용액 공정 시 외부 환경에 대한 영향을 줄이기 위해 증착 환경을 일정하게 유지하기 위한 장치를 마련하였다. 그 과정에서 수많은 샘플을 제작하고 정밀한 측정 분석을 진행하여, 재현성과 신뢰성을 높이기 위해 노력하였다.

 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

 

기존에 다양한 물질들을 이용한 표면 패시베이션은 열처리를 필요로 하는 반면 간단한 용액 공정을 통해 사이클로헥실암모늄 기반의 2D 페로브스카이트를 제작할 수 있었다. 또한 2D 페로브스카이트는 전기적으로 절연특성을 지닌다고 알려져 있으며, 패시베이션된 2D 구조를 통해 전하 수송에 대한 매커니즘 규명에 대한 보고가 부족했다. 본 연구는 전하의 수송 및 추출에 대한 매커니즘을 모델링 실험과 구조적 분석을 통해 규명했다는 점에 의의가 있다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

 

본 연구는 후처리를 배제한 용액 공정으로 실용적으로는 규모 확장성(scalable)에 대한 적용 가능성에 대한 잠재력을 지니고 있다. 따라서 대면적 태양전지 제작과 더불어 모듈 제작과정에서의 검증이 요구되고 이에 따른 연구과제 진행이 필요하다. 이를 통하여 조기 사업화 목표를 달성할 수 있을 것으로 판단된다.

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

유무기 복합 금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지의 광전자변환효율 발전상을 볼 때 해당 연구 개발의 속도가 매우 빠르다. 또 많은 연구개발을 통하여 습득한 페로브스카이트의 장단점은 조기 사업화에 밑거름이 될 것이다. 최고 효율(현재 25.5 %)을 초과 달성하는 것이 우리 연구실의 목표이며 대면적 고효율 태양전지 제작 기술 개발과 아울러 모듈 제작 연구를 계획하고 있다.