나노기술 및 정책 정보

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● 일본 교토대학교의 와카미야 아츠시 교수 연구팀이 주석-납 혼합계 페로브스카이트 박막의 상하 표면을 부동태화하는 방법을 개발하고 전압 손실을 이론 한계로 줄이는 데 성공하였으며, 주석을 함유하는 페로브스카이트 태양전지로서는 세계 최고의 광전 변환 효율(23.6%)을 달성

● 연구팀은 각 전하를 꺼내기에 유리한 전기 쌍극 모멘트를 갖도록 2개의 분배 재료(글리신, 에틸렌암모늄)를 설계하고 이들을 이용하여 페로브스카이트 층의 상하 표면을 부동태화하는 방법을 개발

● 페로브스카이트 층 윗면으로의 부동태화는 EDAI20(Ethylenediammonium diiodide) 용매 및 도포 방법 등을 연구하여 달성하였으며, 페로브스카이트 층 아랫면으로의 부동태화는 페로브스카이트 박막을 도포하여 성막할 때 재료 용액에 2mol%의 GlyHCl(Glycine Hydrochloride)을 첨가함으로써 실현

● 본 ‘부동태화 페로브스카이트 박막’의 이온의 분포를 ToF-SIMS법으로 관측한 결과 860nm(나노미터) 두께의 주석-납 혼합형 페로브스카이트 박막의 상부 층에는 Ethylenediammonium, 하부 층에는 글리신이 선택적으로 존재하는 것을 확인

● 아래층으로의 글리신 부동태화법은 기판의 종류에 따라 달라지지 않고 높은 일반성을 가짐

● 페로브스카이트 박막의 전구체 재료 용액에 대해 동적 광산란(Dynamic Light Scattering, DLS)을 측정한 결과, GlyHCl을 첨가함으로써 페로브스카이트 콜로이드 나노입자가 형성됨을 발견

● 이는 페로브스카이트 층의 도포 성막 과정에서 글리신으로 표면이 덮힌 나노입자가 핵심 중간체로 작용하고 있는 것으로 보임

● 페로브스카이트 층의 상하 표면 부동태화로 인해 태양전지의 특성도 현저히 향상되었으며 개방 전압은 최대 0.91V까지 향상

● 주석–납 혼합형 페로브스카이트 반도체가 갖는 1.25eV의 밴드 갭에 대해 불과 0.34V의 손실로 열역학적인 이론 한계치를 달성

● 본 연구 성과는 향후 무연 재료로서 주석계 페로브스카이트 태양전지의 고성능화를 가속할 것으로 기대

※ Energy & Environmental Science 게재(2022.04.14), “Optimized Carrier Extraction at Interfaces for 23.6% Efficient Tin‒Lead Perovskite Solar Cells”