페로브스카이트 태양전지 불안정성 개선, 이론한계에의 설계지침 발견

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-12-11

- 신형 태양전지의 잠재력을 확인 - JST 전략적창조연구추진사업에서 교토대학 연구팀은 에너지변환효율 19% 이상의 고효율 페로브스카이트 태양전지를 이용하여 발전 메커니즘을 해석하여 전류가 발생하는 효율은 거의 100%이며, 전압도 이론한계까지 향상 가능하다는 것을 밝혀내었다. 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 결정을 재료로 한 용액을 도포하여 제작하기 때문에 태양전지 특성을 결정짓는 결정의 질이 제작조건에 크게 의존한다고 생각된다. 그러나 결정의 질 및 크기(입경)와 발전특성의 관계에 관해서 정량적인 연구는 재현성 및 히스테리시스의 문제 때문에 지금까지 거의 진행되지 않았다. 그래서 이번 연구에서는 FDC법을 채용함으로써 비교적 치밀하고 평활한 페로브스카이트막을 제조하여 효율이 높고 재현성이 좋은 소자를 제작하였다. 또한 발전층을 구성하는 페로브스카이트 결정입경에 따라 발전특성이 어떻게 변화하는지를 검토하기 위해 부극으로서 TiO2 치밀막을 이용한 페로브스카이트 태양전지를 채용하였다. 부극으로서 나노크기의 미소 세공구조를 가진 TiO2 다공막을 이용한 소자는 히스테리시스가 개선된다는 보고가 있지만, TiO2 다공막을 이용하면 다공막 내부에 작은 입경의 페로브스카이트가 생성되고, 표면에는 큰 입경의 페로브스카이트가 생성된다. 이러한 복잡한 입경분포를 피하기 위해 부극으로는 TiO2 다공막이 아니라 TiO2 치밀막을 채용하여 소작조를 최적화함으로써 고효율화와 히스테리시스의 억제에 성공하였다. 이번에 채용한 FDC법에 의해 평활기판 위에 제작한 페로브스카이트막의 원자간력현미경(AFM) 사진을 보면, 종래 방법으로 평활기판 위에 제작하면 결정크기 및 형상은 불균일하며, 치밀한 막을 제작할 수 없어 밑부분이 노출된다. 한편 FDC법에 의해 제작한 막은 치밀하며 결정입경도 일정하다는 것을 알았다. 또한 제막에 이용하는 PbI2와 CH3NH3I의 DMF 용액농도를 변화시킴으로써 입경을 제어할 수 있다는 것을 알았다. 그리고 입경과 막두께의 관계를 조사한 결과, 입경과 막두께는 거의 일치하기 때문에 막두께 방향에는 하나의 결정입괴로 이루어진 페로브스카이트막이 생성되었다는 것을 알았다. 실제로 제작한 페로브스카이트 태양전지 단면의 주사전자현미경 사진을 보면, 페로브스카이트층의 막두께 방향에 하나의 결정입괴로 이루어졌다는 것을 알았다. 다음에 다양한 입경으로 이루어진 페로브스카이트 태양전지의 전지특성을 보면, 입경이 클수록 단락전류밀도(JSC), 개방전압(VOC), 곡선인자(FF) 모두 큰 값을 나타낸다는 것을 알았다. 그 결과 에너지 변환효율(PCE)은 입경이 가장 큰 500nm일 때 세계 최고수준인 19.4%를 나타내었다. 중요한 포인트는 전압 스위프 시 히스테리시스가 작다는 점이며, 스위프 방향에 의존하지 않고 단락전류밀도와 개방전압 값은 거의 변하지 않는다는 것을 알았다. 따라서 히스테리시스의 영향을 고려할 필요가 없게 되었다. 우선 단락전류밀도에 대해 입경 의존성을 검토하였다. 다양한 입경을 가진 페로브스카이트 태양전지의 외부양자수율(EQE) 스펙트럼과 반사흡수 스펙트럼을 보면, 모두 입경에 대해 양쪽의 값이 거의 일치하기 때문에 내부양자수율(IQE)은 모두 거의 100%라는 것을 알았다. 즉, 광전류 발생효율은 입경에 관계 없이 거의 100%로 광전변환손실이 거의 없다는 것을 알았다. 입경이 500nm인 소자의 흡수율은 넓은 파장범위에서 90%를 나타내고 있으며, 기판표면에서의 반사손실도 상당히 작다는 것을 알았다. 이 결과는 광학시뮬레이션의 이론결과와 일치하고 있으며, 페로브스카이트막은 반사방지막의 성질을 나타내는 것이 실증되었다. 다음으로 개방전압의 입경 의존성을 검토하였다. 회로가 연결되지 않은 개발상태에서는 광조사에 의해 생성된 전자와 정공은 전극에는 회수되지 않고 재결합함으로써 소멸된다. 즉, 개방전압은 광조사에 의한 전자와 정공의 생성속도와 재결합속도의 균형으로 결정된다. 따라서 전자와 정공의 재결합 메커니즘을 조사함으로써 개방전압의 손실 기원을 조사할 수 있다. 그래서 전자와 정공의 재결합은 전자와 정공이 직접 재결합하는 메커니즘과 트랩을 매개로 재결합하는 메커니즘 양쪽을 고려한 모델을 이용하여 해석하였다. 그 결과 페로브스카이트 입경이 커질수록 트랩이 감소하고, 트랩을 매개로 한 재결합이 억제됨으로써 개방전압이 증가한다는 것을 알았다. 이상의 결과를 정리하면 광전류 발생과정에는 변환손실이 거의 없지만, 전압에 대해서는 트랩을 매개로한 재결합에 의한 손실이 억제되지만, 그래도 변환손실이 존재하고 있다는 것을 알았다. 해석 모델에 의해 알 수 있는 것처럼 이 전압손실을 억제하는 데는 트랩을 가능한 한 적게 할 필요가 있다. 그러면 어디까지 억제할 수 있을까. 최근 연구에 의해 페로브스카이트의 단결정이 제작됨으로써 트랩 밀도가 10^10cm-3 정도라는 것이 보고되었다. 이 결과를 이번 해석 모델에 적용하면, 개방전압은 1.27V까지 향상될 것으로 예측되었다. 이 값은 이론한계치에 가까운 값이며 페로브스카이트 태양전지의 트랩 밀도를 단결정 수준까지 억제함으로써 개방전압 값은 극한까지 향상될 가능성이 있다는 것을 나타낸다. (그림 1) CH3NH3PbI3 페로브스카이트 막의 AFM 사진 (그림 2) CH3NH3PbI3 페르브스카이트 태양전지 단면 SEM 사진 (그림 3) 다양한 입경(막두께)를 가진 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압곡선 zu1.jpg zu2.jpg zu3.gif