본문내용
1. Introduction
1.1. Perovskite Solar Cells: Materials and Devices
페로브스카이트 태양전지는 유기-무기 하이브리드 재료로 구성된 차세대 태양전지 기술이다. 높은 효율과 낮은 제조비용 등의 장점으로 인해 주목받고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 주로 유기 양이온(MA, FA), 무기 양이온(Cs, Rb), 납(Pb), 할로겐(I, Br, Cl) 등의 재료를 사용하여 제작된다.
페로브스카이트 태양전지의 우수한 성능은 페로브스카이트 재료의 뛰어난 광학적, 전기적 특성에 기인한다. 페로브스카이트는 높은 광흡수 계수와 긴 캐리어 확산 길이를 가지고 있어 빛을 효율적으로 흡수하고 전하를 원활하게 수집할 수 있다. 또한 페로브스카이트 재료는 구조적 결함에 강인하여 비방사 재결합을 억제하고 열적/화학적 안정성이 우수한 편이다.
이와 같은 장점으로 인해 페로브스카이트 태양전지의 광전변환 효율은 최근 수년간 급격히 향상되어 현재 25.7%까지 달성되었다. 이는 기존의 실리콘, CIGS, GaAs 등의 태양전지 기술을 크게 앞서는 수준이다. 하지만 아직 상용화를 위해서는 장기 안정성 향상, 대면적화, 저비용 대량생산 공정 개발 등의 과제가 남아있다.
페로브스카이트 태양전지를 구현하기 위해서는 우수한 페로브스카이트 박막 특성이 필수적이다. 페로브스카이트 박막 제조 시 다양한 공정 기술이 활용되는데, 대표적으로 one-step 용액 공정, two-step 용액 공정, 진공 공정, 기상 보조 용액 공정 등이 있다. 이들 공정을 통해 조성, 결정성, 표면 형태 등이 최적화된 고품질의 페로브스카이트 박막을 얻을 수 있다.
페로브스카이트 태양전지의 구조는 크게 n-i-p형과 p-i-n형으로 나뉜다. n-i-p형은 투명 전극/전자수송층/페로브스카이트/정공수송층/금속 전극의 순으로, p-i-n형은 투명 전극/정공수송층/페로브스카이트/전자수송층/금속 전극의 순으로 구성된다. 이 중 n-i-p형 구조가 주로 연구되고 있는데, 이는 TiO2와 같은 n형 전자수송층이 우수한 전자 수집 특성을 갖기 때문이다.
페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성 향상을 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히 페로브스카이트 조성 제어, 전자/정공 수송층 설계, 계면 공학 등의 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이를 통해 장기 안정성이 우수하고 대면적으로 제작 가능한 고효율 페로브스카이트 태양전지 실현을 목표로 하고 있다.
1.2. Perovskite Solar Cells: Film Formation and Properties
페로브스카이트 태양전지의 필름 형성과 특성
페로브스카이트 태양전지의 필름 형성과 특성은 매우 중요한 부분이다. 페로브스카이트 필름의 형성 과정과 특성은 태양전지의 성능에 직접적인 영향을 미치기 때문이다.
페로브스카이트 필름은 다양한 공정을 통해 제작될 수 있다. 대표적인 공정으로는 one-step 용액 공정, two-step 용액 공정, 진공 공정, 증기 보조 용액 공정 등이 있다. 각 공정에는 장단점이 있어 필름 형성과 특성에 차이가 나타난다.
one-step 용액 공정은 페로브스카이트 전구체 용액을 한 번에 코팅하는 방식이다. 이 방식은 간단하고 대량 생산에 유리하지만, pinhole이 발생하기 쉽고 균일한 필름 형성이 어려운 단점이 있다. two-step 용액 공정은 먼저 PbI2 등의 금속 할라이드 층을 코팅한 뒤 MAI 등의 유기 할라이드 용액에 침지하여 페로브스카이트 층을 형성하는 방식이다. 이 방식은 균일한 필름을 얻을 수 있고 pinhole 문제를 해결할 수 있지만, 공정이 복잡하다는 단점이 있다.
진공 공정은 페로브스카이트 구성 물질을 진공 증착하여 필름을 형성하는 방식이다. 이 방식은 균일성과 재현성이 뛰어나지만, 고진공이 필요하여 생산성이 떨어진다는 단점이 있다. 증기 보조 용액 공정은 먼저 PbI2 등의 금속 할라이드 층을 코팅한 뒤 MAI 등의 유기 할라이드 증기에 노출시켜 페로브스카이트 층을 형성하는 방식이다. 이 방식은 큰 결정립과 균일성을 얻을 수 있지만, 공정 제어가 까다롭다는 단점이 있다.
이 외에도 스프레이 코팅, 직접 접촉 및 삽입 법, 진공 플래시 보조 법, 핫캐스팅 법, 기체 펌프 건조 법 등 다양한 공정이 개발되어 왔다. 각 공정은 페로브스카이트 필름의 결정성, 표면 형태, 조성 등의 특성에 영향을 미친다.
페로브스카이트 필름의 특성으로는 결정성, 표면 형태, 조성, 광학적 및 전기적 특성 등이 있다. 결정성은 태양전지의 광 흡수와 전하 수송 특성에 영향을 미친다. 표면 형태는 계면 특성과 관련되어 태양전지의 성능에 중요한 역할을 한다. 조성은 페로브스카이트의 안정성과 광전 변환 특성을 결정한다. 광학적 특성으로는 광 흡수 계수, 투과율, 굴절률 등이 있으며, 전기적 특성으로는 전하 이동도, 확산 길이, 재결합 속도 등이 있다.
이와 같이 페로브스카이트 필름의 형성과 특성은 태양전지 성능에 큰 영향을 미치므로, 최적의 필름 형성 공정과 특성 제어가 매우 중요하다.
1.3. Stability of Perovskite Solar Cells
페로브스카이트 태양전지의 안정성은 매우 중요한 이슈이다. 페로브스카이트 태양전지의 안정성은 주로 온도, 습도, 빛 등의 환경 요인에 크게 좌우된다.
먼저, 온도가 높아지면 유기 성분인 메틸암모늄(MA)이나 포름아미디늄(FA)이 쉽게 분해되어 페로브스카이트 구조가 붕괴되는 문제가 발생한다. 약 330K 이상의 온도에서는 delta 상으로의 상변화가 일어나 불안정해진다. 이를 해결하기 위해 Cs, Rb 등의 무기 양이온을 혼합하거나 5-AVA(5-aminovaleric acid) 등의 첨가제를 활용하여 결정 구조를 안정화시킬 수 있다.
습도 또한 페로브스카이트 태양전지에 큰 악영향을 끼친다. 수분이 침투하면 페로브스카이트 물질이 PbI2와 메틸암모늄 요오드화물로 분해되어 성능이 크게 저하된다. 이를 해결하기 위해 소수성이 강한 물질을 사용하거나 완전히 밀봉하는 encapsulation 기술이 필요하다.
빛 조사 환경 또한 페로브스카이트 태양전지의 안정성에 큰 영향을 미친다. 특히 TiO2와 같은 금속산화물 계열의 전자수송층은 자외선에 의해 쉽게 산화되어 결함이 발생한다. 이는 곧 재결합 증가와 전하 수집 효율 저하로 이어지게 된다. 이를 방지하기 위해 Al2O3나 SnO2 등의 대체 물질을 사용하거나, 자외선을 차단하는 필터를 장착하는 방법이 연구되고 있다.
이 외에도 전극 물질과의 반응, 계면에서의 화학 반응, 이온 이동 등 다양한 요인들이 페로브스카이트 태양전지의 장기 안정성을 저해한다. 따라서 이러한 열악한 환경 요인들을 극복하기 위한 지속적인 연구가 필요하며, 안정성 향상을 위한 새로운 구조 설계와 공정 개선 등이 활발히 이루어지고 있다.
1.4. Iodide Management in Formamidinium-Lead-Halide-Based Perovskite Layers for Efficient Solar Cells
Formamidinium-lead-halide-based perovskite 층에서의 요오드 관리는 고효율 태양전지 제작을 위해 매우 중요하다. 요오드 관리는 perovskite 층의 안정성과 광전기적 특성에 영향을 미치는 핵심 요인이기 때문이다.
먼저, 요오드는 perovskite 구조에서 중요한 역할을 한다. Formamidinium-lead-iodide (FAPbI3) 기반 perovskite에서 요오드는 팔면체 격자를 구성하는 주요 음이온이다. 이 구조적 특성은 perovskite의 우수한 광흡수 능력과 긴 전하 수송 거리를 가능하게 한다.
그러나 FAPbI3 perovskite는 상온에서 열역학적으로 불안정한 δ상을 형성하는 경향이 있다. 이 불안정성은 주로 요오드 공공 결함에 의해 야기된다. 요오드 공공은 페로브스카이트 격자 내에서 이동하여 상 분리를 유발하고 최종적으로 성능 저하로 이어진다.
따라서 FAPbI3 기반 태양전지의 고효율화를 위해서는 요오드 관리가 필수적이다. 연구자들은 이를 위해 다양한 전략을 시도해왔다. 대표적인 접근법은 다음과 같다:
1. 요오드 결핍 방지: 요오드 공공 생성을 억제하기 위해 perovskite 전구체 용액의 요오드 농도를 최적화한다. 또한 저온 공정이나 습도 조절을 통해 요오드의 손실을 최소화한다.
2. 요오드 공공 passivation: 유기 분자나 무기 첨가물을 통해 요오드 공공을 효과적으로 passivation 한다. 이를 통해 상 분리와 성능 저하를 억제할 수 있다.
3. 2D-3D 페로브스카이트 구조 도입: 2D 페로브스카이트 층을 3D 페로브스카이트 층과 결합시켜 요오드 이동을 제한하고 안정성을 높일 수 있다.
4. 혼합 양이온/음이온 활용: 포름아미디늄(FA)과 메틸암모늄(MA)의 혼합 양이온, 요오드와 브로민의 혼합 음이온 등을 활용하여 결정 구조와 광학적 특성을 조절한다.
이와 같은 다양한 접근법을 통해 연구자들은 요오드 관리를 최적화하여 FAPbI3 기반 고효율 태양전지 제작에 성공해왔다. 특히 최근에는 혼합 양이온/음이온 페로브스카이트를 활용하여 21% 이상의 높은 광전환 효율을 달성하였다.
요약하면, 요오드 관리는 고효율 FAPbI3 기반 태양전지 개발을 위한 핵심 기술이다. 연구자들은 다양한 전략을 통해 요오드 안정성을 확보하고 페로브스카이트 층의 광전기적 특성을 향상시켜 왔다. 이러한 노력을 통해 점점 더 우수한 성능의 페로브스카이트 태양전지가 개발되고 있다.
1.5. Highly Efficient Organic Hole Transporting Materials for Perovskite and Organic Solar Cells with Long-Term Stability
유기 전하 수송 물질은 페로브스카이트 태양 전지와 유기 태양 전지의 장기 안정성 향상에 매우 중요한 역할을 한다. 유기 전하 수송 물질은 태양 전지의 성능 및 내구성에 크게 영향을 미치는데, 특히 열적·화학적 안정성과 빛 조사에 대한 내구성이 중요하다.
유기 전하 수송 물질은 spiro-OMeTAD, P3HT, PTAA 등이 널리 사용되고 있다. spiro-OMeTAD는 가장 많이 사용되는 유기 전하 수송 물질이지만, 낮은 고유 전도도와 공기 중 환경에서의 열적 불안정성으로 인해 장기 안정성이 떨어진다. P3HT와 PTAA는 spiro-OMeTAD보다 장기 안정성이 우수하지만, 여전히 개선의 여지가 있다.
따라서 보다 높은 효율과 장기 안정성을 가진 유기 전하 수송 물질의 개발이 필요하다. 최근 연구에서는 새로운 유기 화합물을 합성하여 기존 물질보다 우수한 특성을 가진 전하 수송 물질을 개발하고 있다. 예를 들어, 열적 및 광학적 안정성이 향상된 spiro-based 유기 물질이나, 고유 전도도와 공기 중 안정성이 우수한 PBDB-T 기반 고분자 물질 등이 보고되고 있다.
이러한 새로운 유기 전하 수송 물질은 페로브스카이트 태양 전지와 유기 태양 전지의 장기 안정성 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다. 고효율과 장기 내구성을 가진 유기 전하 수송 물질의 개발은 태양 전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 핵심적인 역할을 할 것이다.
1.6. Organometal Halide Perovskite Solar Cells: Degradation and Stability
유기 금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지: 열화와 안정성
유기 금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지는 높은 광전변환효율과 저렴한 제조 비용 등으로 인해 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다. 그러나 페로브스카이트 층의 열화와 장기 안정성 문제는 이 기술의 상용화를 위해 해결해야 할 주요 과제 중 하나이다.
페로브스카이트 태양전지의 열화는 주로 수분, 산소, 열, 자외선 등의 환경적 요인에 의해 발생한다. 수분은 페로브스카이트 물질을 분해하여 PbI2와 휘발성 유기 물질을 생성하고, 이는 태양전지의 성능 저하로 이어진다. 또한 산소와 자외선 조사는 TiO2 전자수송층의 열화를 유발하여 태양전지 전체의 효율을 떨어뜨린다. 열 역시 페로브스카이트 결정 구조의 변형을 일으켜 태양전지의 성능을 악화시킨다.
이러한 환경적 요인에 의한 페로브스카이트 태양전지의 열화를 막기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 먼저 페로브스카이트 층의 수분 안정성을 높이기 위해 2D 페로브스카이트, 무기 페로브스카이트, 이온 첨가제 등을 활용하는 방법이 연구되고 있다. 2D 페로브스카이트는 소수성이 강해 수분 침투를 막을 수 있고, 무기 페로브스카이트는 유기 물질이 없어 수분에 대한 안정성이 높다. 또한 Cs, Rb 등의 이온을 첨가하면 페로브스카이트 결정 구조가 안정화되어 내수성이 향상된다.
전자수송층의 열화를 방지하기 위해서는 TiO2 대신 SnO2, Nb2O5 등의 산화물을 사용하는 방법이 제안되고 있다. 이...
