세계 최고 효율의 페로브스카이트 양자점 태양전지와 한국

[사무국]

화학·화공·섬유분과 변선호

  2023년 노벨 화학상에 양자점 (QD)의 발견과 개발이 선정되었다. LED 등의 광전자공학 발전에 대한 공헌이 인정된 것이다. 울산과기대 (UNIST)는 그 일례로 올해 1월 초 페로브스카이트 양자점(PQD) 태양 전지 개발에서 세계 기록의 실험실 적 성능을 보고하였다. QD는 나노 크기 입자 재료에서 입자가 작아질 수록 띠틈이 연속적으로 증가하다가 Bohr 반경(수 nm) 근처로 감소하면 띠틈의 에너지 증가가 불연속적으로 변하는 양자 크기 효과로 광전자공학 시대를 열었다. 

  PQD의 광 흡수 특성은 GaAs 다음이지만 크게 저렴한 페로브스카이트 재료는 화학식 ABX3에서 A(유기 양이온), B(무기양이온), X(할로겐 음이온)인데 X는 I, Br, Cl 순으로 색상이 R,G,B 쪽으로 변하며 띠틈이 증가한다. PQD의 광전자 공학적 특성은 기존 LED용 CdSe 등 Chalcogenide 재료의 QD보다 우수하다. 즉 조성으로 발광 파장이 조정되어 파장 범위가 넓으며, 결함 내성이 높고 트랩 밀도가 낮으므로 EQE(외부양자효율)가 높다. 응용 특성 맞춤 조정에 유리하다. PL(광 발광) 스펙트럼 피크의 FWHM(full width half maximum)이 좁아 선명하고 순도가 높아 LED에 탁월하며, PL(광 발광)의 양자수율(PLQY)이 매우 높다. 안정성, 대면적 형성 및 독성 문제는 괄목할 기술이 계속 보고되고 있다. 

  PQD 제조는 광전자공학 소자(LED 등)를 위한 콜로이드 양자점(CQD) 경우 Chemical Bath 증착법에 따라 적절한 용매 속에서 여러 전구체를 반응 합성시켜 콜로이드 나노입자 결정을 성장시킨다. 나노입자 사이의 응집을 막고 결정성장 속도 조절로 안정된 나노입자 분포를 위해 리간드를 사용하는데 절연성 긴 사슬 OAc(올레산)와 OAm(올레아마이드)이 이용된다. 응용 소자 내 전하 수송 속도 향상을 위해 적절한 재료와 최적 길이의 리간드 교환 또는 유기 양이온의 후처리 교환이 필요하다.

  페로브스카이트 태양전지(PSC)용 광 흡수층은 막에서 결정이 성장하므로 친환경이 아닌 용매가 사용되지만, PSC PQD 제조에는 친환경 용매(메틸 아세테이트 등)가 리간드 교환에 이용되기도 한다. 

  PSC PQD의 종래 연구는 MAI(요오드화 메틸암모늄)의 짧은 유기 양이온을 가진 PQD가 낮은 띠틈을 가져 높은 전류밀도 등을 가질 수 있음에도, 내열성 무기 양이온 Cs 기반의 PQD 연구에 집중되어 효율은 낮았다. 최근 작은 크기 Cs에 의한 결정결함을 FA로 보완한 Cs0.5FA0.5양이온 기반의 PSC는 16.60%의 최고 효율을 보였다.

<그림 1> 리간드별 FAPbI3 SC 특성, a) PCE, b) 장기안정성

  이에 UNIST의 이상학 등은 MAI(그림 1의 a 및 b의 적색 리간드)를, 내열성은 있지만 상이 불안정한 FAPbI3 의 PQD에 적용하여 기존 리간드를 교환함으로써 낮은 띠틈의 균일한 혼합유기 양이온(FAxMA1−xPbI3 결정) 기반 PQD SC를 만들어 Cs 경우를 능가하는 준 정상상태의 세계 최고 효율 18.1%를 인증받았다. 유기 리간드 MAI가 FAPbI3 PQD 표면에만 존재하지 않고 PQD 결정 내에도 존재함을 의미한다. 주변 조건에서 흑색 유기 양이온 PQD ⍺상의 안정성도 유지되었다. 짧은 리간드(MAI)가 리간드 교환 과정에서 발생한 표면결함을 부동태화시켜 트랩 밀도를 낮추고 외부양자효율(EQE)을 최적화하여 에너지 손실을 줄였다. 장기 안정성도 개구부 면적 11.925 ㎜2에서 광조명 하에 1200h과 80℃ 300h에서 안정성을 보였다. 이는 짧은 유기 양이온 MAI 리간드 사용의 새로운 길을 연 것이다. 금후 PQD SC는 고효율 반투명 PSC 및 고에너지의 한 광자에서 2개 이상의 엑시톤을 얻는 MEG(다중엑시톤 생성) PSC 시대를 열 것이다.

필자소개
서울대학교 공과대학 화학공학과 졸업 
금성전선(주) 연구소장, 공장장, CTO, 연구위원 
현재 한국시니어과협 화학·화공·섬유분과 연구위원