| 초록 |
1.분석자 서문 최근 유기-무기 혼성 할로겐화물 페로브스카이트 재료는 용액가공에 의한 저비용 고효율 태양전지를 만들어 실리콘 태양전지 이후 차세대 태양전지의 유망한 재료로 주목 받고 있다. 현재 실험실에서 22 #37;가 넘는 광전 변환효율(Photoelectric Conversion Efficiency, PCE)을 시현한 페로브스카이트 태양전지(perovskite solar cell, PSC)의 조속한 상용화에는 환경(습기, 열, 광 그리고 산소)에 대한 장기 안정성이 해결되어야 한다. 이에 대한 여러 연구 중 페로브스카이트 재료의 A 양이온 및 X 음이온 치환에 의한 안정성 향상 연구가 기초인데 상당한 진전을 보이고 있다. 이 글은 이들을 요약하여 PSC의 상용화에 충분한 안정성을 갖는 이 재료 설계에 도움이 되고자 한다. 2. 목차 1. 머리말 1.1. 혼성 페로브스카이트 재료 1.2. 페로브스카이트 재료의 안정성 도전 2. A 양이온 대체의 안정성 영향 2.1. FA 양이온의 영향 2.2. Cs 양이온의 영향 2.3 알킬 암모늄 양이온의 영향 2.4. 기타 대형 암모늄 양이온 영향 3. X 음이온 대체의 영향 4. 맺음말 및 전망 이 글에서 MAPbI3의 양이온 MA+ 대신 FA+나, Cs+ 또는 더욱 큰 알킬 암모늄 등의 양이온 사용이 입방정 상의 구조를 만들어 수분과 열, 광, 산소에 안정됨을 실제 예에 의해 고찰하고 있다. 음이온 I-도 Br-이나 Cl-로 전체 또는 일부를 치환하여 수분 등에 높은 안정성을 부여하는 입방정 상의 t 값을 만족 시킬 수 있었다. 표 1 및 표 2는 이들 치환 연구의 주요 결과이다. 그 중 관심을 끄는 결과는 습한 공기에서 1000 h을 견딘 두 경우 인데 FA0.8Cs0.2PbI2.84Br0.16 [10] 및 (5-AVA)x(MA)1-xPbI3 [12]이다. 후자는 HTM을 제거하고 카본 전극도 사용하여 금후 전 무기 PSC 연구라는 유망한 한 연구 방향을 제시하고 있다. 또한 삼중 양이온 및 Rb가 추가된(이 원문에 없는)사중 양이온[16]의 성공적 연구 성과는 아직 검토 안된 많은 후보 금속의 양이온 대체 연구를 촉발시킬 것이다. 특히 음이온 I-을 Br-로 대체하는 수분 안정성 연구는 석상일(현재 UNIST), 임상혁(경희대), 노준홍 (현재 고려대) 등의 KRICT 팀이 세계적 모범을 보인 성과였다. 2012년 성균관대 박남규 교수 팀은 페로브 스카이트 재료의 2009년 이래 불안정성 숙제를 해결하여 초기 PSC의 위기를 구한 연구로 유명하다. 해외에서 PSC 창업 초빙 대상 까지 되고 있다. PSC 연구는 매년 1000 편 이상의 논문이 발표되어 1년이 지나면 옛날 이야기가 되고 있다. 이 원문의 출판 후 동일 연구 범주에서 수많은 보고가 있는데 Grancini 등은 1년의 안정성을 갖는 2D의 (HOOC (CH2)4NH3)2PbI4와 3D의 MAPbI3와의 계면접합 연구에 의한 PSC 제조를 2017년 보고했다[22]. 이들은 PCE 12.9 #37;를 카본 전극을 사용한 셀에서 얻고, 전체가 인쇄 가능한 10×10 ㎠의 공업 규모 태양전지 모듈(HTM 없이 카본 전극 사용)을 제조하여 55 ℃에서 10,000 h 동안 손실이 없는 PCE 11.2 #37;를 보였다. 2D 페로브스카이트 층이 습기로부터 3D 층을 보호하는 이 구조는 가까운 미래에 PSC의 상용화를 기대 할 수 있게 한다. 이는 Snaith 교수 주도의 최대 스타트업사 Oxford Photo- voltaic의 2018년 내 PSC 상용화의 공언을 황당하다고만 할 수 없게 만들고 있다[23]. 그러나 광 활성 층의 화학 조성 개질 연구만으로는 캡슐화(모듈 포함) 연구는 제외 하더라도 장기 안정성 연구에 한계가 있다. 소자 관점에서 전하 추출 층, 전극 등의 구성 성분, 이들 간 계면공학 등의 연구가 뜨겁다. PSC 상용화를 위한 가속시험 규정은 Inter- national Electrotechnical Commission(IEC) 61646, ldquo;Thin-film terrestrial photovoltaic(PV) modules- Design qualification and type approval rdquo;이 제일 가깝다. 여기서 가장 어려운 damp heat test는 85℃ 및 RH 85 #37; 암실에서 1000 h 저장 후 성능이 초기치의 10 #37; 이하 감소만이 허용 된다. 이 규격에 합격한 PSC는 아직 안 보인다. 최근 학제간 연구가 발전되고, 순간 차원에서 발생하는 현상 분석 기술이 나날이 발전하고 있어 이들 재료의 근본적 열화 원인이 더욱 명확하게 규명되고 있다. 안정성 연구가 기대보다 빠르게 진척되므로 수년 내 상용화는 확실해 보인다[23]. 2018년 1월말 발표된 GreatCell사의 PSC 상용화 로드맵에서 2019년 생산(유리 기판)을 홍보용이라고만 생각할 수 없을 것 같다[24]. 한국도 석상일 교수의 스타트업사가 가동하기 시작하였다. 양자점 LED 및 OLED 디스플레이 이후의 차세대 디스플레이를 위한 LED용 페로브 스카이트 재료의 안정성 연구가 해외에서 뜨겁다[25]. 핫전자의 냉각속도를 1000 배 늦추는 현상은 아직 페로브스카이트 재료 에서만 발견되어 단접합 태양전지의 PCE 32 #37; 한계(Shockley-Queisser limit) 돌파 가능성을 이론적으로 보였다 [26]. 순 제로 에너지 건물 (NZEB)의 실현을 앞 당기는 태양전지 이용 전기변색 스마트 윈도우 기술의 비용을 혁신 할 저비용 열변색 스마트 윈도우의 가능성이 이 재료에서 발견 되었다[27]. 페로브스카이트 재료는 에너지 및 광전자 공학에 일대 혁신을 일으키고 있어 이 분야 연구자들에게 큰 보람을 주고 있다. 한국은 현재까지 PCE 기록을 다년간 독점 중인 KRICT 및 PSC 연구 창시 성균관대를 비롯하여, 경희대, UNIST, 고려대, GIST 등에 세계 정상급 연구진이 포진해 있다. 이들이 원하는 기본 연구와 양산 기술을 위한 파일롯 플란트 그리고 실험실 밖 야외 장기 수명 실험에 필요한 자원에 국가 생존 차원의 지원과 산학연 일체의 합심이 절실하다. References 1. Z. Wang, et al., Stability of Perovskite Solar Cells: A Prospective on the Substitution of the A Cation and X Anion, Angew. Chem. Int. Ed. 56, 1190, 2017. 2. H.S. Kim, et al., Organolead Halide Perovskite: New Horizons in Solar Cell Research, J. Phys. Chem. C, 118, 5615, 2014. 3. S. Bai, et al., Colloidal metal halide perovskite nanocrystals: synthesis, characterization, and applications, J. Mater. Chem. C, 4, 3898, 2016. 4. J. M. Frost, A. Walsh et al., Atomistic Origins of High-Performance in Hybrid Halide Perovskite Solar Cells, Nano Lett., 14, 2584, 2014. 5. M.R. Leyden, et al., Large formamidinium lead trihalide perovskite solar cells using chemical vapor deposition with high reproducibility and tunable chlorine concentrations, J. Mater. Chem. A, 2015. 6. G. Murugadoss, et al., Light stability tests of methyl ammonium and formamidinium lead-halide perovskites for solar cell applications, Jpn. J. Appl. Phys., 54, 08KF08, 2015. 7. M. Kulbak, et al., Cesium enhances long-term stability of lead bromide perovskite-based solar c |
