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플라즈마 관련자료실

페로브스카이트 태양전지

관리자 | 2020.06.12 17:23 | 조회 257

1. 페로브스카이트(Perovskite)란?

 

 페로브스카이트는 어떤 소재나 재료의 명칭이 아니라 재료의 결정구조(Crystal Structure)를 지칭하는 단어로, 티탄산 칼슘(CaTiO3)과 같이 ABX3와 같은 형식의 결정구조를 가지는 재료를 일컫는다. 여기서 A와 B는 양이온, X는 음이온으로 구성되며 그림 1과 같이 면심입방체(Face Centered Cubic, FCC)와 체심입방체(Body Centered Cubic, BCC)가 혼합된 결정구조를 가진다.

과거에는 대부분 X가 산소인, 즉 ABO3 형태의 산화물 페로브스카이트에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 여기서 A와 B 양이온의 크기에 따라 입방구조의 안정성에 차이가 발생하며 이온 크기에 따른 결정격자의 왜곡으로 인해 대칭성이 깨셔 강유전성, 압전성 또는 초전도성과 같은 특성을 보이는 경우가 많아 활발히 연구되었다. 대표적으로 CaTiO3 이외에도 압전 세라믹으로 유명한 BaTiO3, ZnSnO3 (Zinc Stannate), PbZrxTi1-xO3 등이 페로브스카이트 물질로 널리 알려져있다. 이런 산화물 페로브스카이트 물질 이외에도, ABX3 형태를 가지는 유기금속할로겐(Organometal halide) 계열의 페로브스카이트 재료가 고효율 차세대 태양전지용 물질로 주목을 받고 있다.

2. 태양전지용 페로브스카이트 소재의 종류와 주요 특성은?

 

 최근 태양전지의 광흡수용 소재로서 많은 주목을 받고 있는 페로브스카이트 물질은 양이온 자리인 A에 메틸암모늄(CH3NH3+)과 같은 유기물 양이온이, 양이온 자리인 B에는 납(Pb2+)과 같은 금속 양이온이, 음이온 자리인 X에는 염소(Cl-) 또는 요오드(I-)와 같은 할로겐 음이온이 포함되어 있는 3차원 페로브스카이트 구조를 가진다. 여러 종류의 유기금속할로겐 페로브스카이트 물질이 존재할 수 있으나, 주로 Methylammonium lead iodide (MAPbI3, CH3NH3PbI3)와 Formamidinium lead iodide (HC(NH2)2PbI3, FAPbI3) 두 물질이 태양전지용 소재로써 연구되고 있다.

 

  페로브스카이트 태양전지에 가장 먼저 사용되었으며 가장 널리 알려진 물질인 MAPbI3의 장점은 아래와 같다.

1) 밴드갭(Band gap)이 약 1.55 eV로 태양광을 이용하기에 적절한 밴드갭을 가지며

2) 높은 유전상수로 인해 엑시톤 결합 에너지가 50 meV 이하로 낮아 빛을 받아 생성된 전하의 분리가 쉽고

3) 대부분의 흡수영역에서 10000 cm-1 수준의 굉장히 높은 흡광계수를 가져 박막에서도 충분히 빛을 이용할 수 있으며

4) 전하의 확산거리가 길어 생성된 광전류의 손실이 적으며

5) 높은 개방전압(open circuit voltage)으로 고효율화가 용이하며

6) 저렴한 소재로부터 합성이 가능하고

7) 100℃ 이하의 저온에 용액 공정을 통해 태양전지를 제작할 수 있다는 장점이 있다.

 

 이러한 장점으로 인해 기존 대비 높은 광전효율을 태양전지를 제작할 수 있었지만 소재 자체의 안정성이 나쁘다는 문제가 있다. A 양이온 격자에 존재하는 유기 양이온은 격자에 고정되지 않기 때문에 공간적으로 열려 있어 온도 또는 습도와 같은 외부의 환경에 큰 영향을 받는다. 특히 MAPbI3의 경우 수분에 민감하여 습도가 높은 경우 CH3NH3I와 PbI2로 분해가 되고 CH3NH3I는 CH3NH2와 HI로 분해되어 광전변환효율이 급격하게 나빠진다는 문제가 있다. 또한, 열적 안정성이 떨어져 55℃ 이상의 고온에서는 상전이가 일어나 광전변환효율이 감소한다는 보고도 있다. 따라서 빛, 온도, 수분이나 산소 투과에 의한 효율 감소를 최소화 시킬 수 있는 장기 안정성의 확보가 가장 중요한 이슈라고 볼 수 있다.


페로브스카이트(Perovskite) 태양전지는 지난 몇 년 동안 폭발적인 연구를 통해 전례없는 효율의 향상을 보여왔다. 태양전지의 가장 중요한 성능인 효율 측면에서의 발전은 지속적으로 이루어 졌지만, 소자의 성능 향상과 연관지을 수 있는 광전자적 및 물리화학적 특성에 대한 기본적인 이해가 부족하였다. 따라서 소자의 성능 또는 소자에서 발생하는 여러 광전기화학적인 해석 수준과 소자의 효율 수준이 동일하게 일치하지 않았다.

 

 페로브스카이트 태양전지 소자의 효율 개선 양상을 보면 전망은 충분히 밝지만 여전히 해결해야 되는 문제들이 있다. 특히 페로브스카이트 태양전지의 효율 측정 중 관찰할 수 있는 전압/전류의 히스테리시스 현상, 효율적인 대면적 소자(모듈)의재현성 개선, 열 및 습기에 대한 장기 안정성과 같은 문제를 해결해야 하고 독성이 강한 Pb을 대체할 수 있는 고효율 페로브스카이트 물질의 발굴과 같은 많은 도전 과제들이이 여전히 남아있다. 여러가지 문제히스테리시스 현상과 장기 안정성 문제는 상용화를 위해 가장 시급하게 해결해야 될 문제로 알려져 있다. 이를 해결하지 못한다면 대면적 페로브스카이트 태양전지의 양산조차 시도할 수 없기 때문이다.

 

히스테리시스 현상이 나타날 때의 I-V 곡선(A)과 일어나지 않을때의 I-V 곡선(B)

 페로브스카이트 태양전지의 히스테리시스는도 위의 그림에 나타낸 바와 같이, 태양전지의 효율 측정 시 스캔의 방향과 속도에 따라 발생되는 전압 및 전류 응답 곡선이 변화한다는 것을 나타낸 그림이다. 즉, 전압을 + 방향(Voc에서 Jsc)으로 증가시키면서 발생되는 전류와 - 방향(Jsc에서 Voc)으로 감소시키면서 발생되는 전류의 양상이 다르다는 뜻이다. 이는 가역적인 현상으로, 이러한 가역 히스테리시스는 MAPbI3 기반의 모든 구조의 페로브스카이트 소자(일반 및 반전)에서 나타난다는 것이 다수의 연구진에 의해 보고되었다. 이러한 히스테리시스는 페로브스카이트 태양 전지의 효율과 실제 장기적인 장치의 동작 안정성에 심각한 문제를 일으킨다. 예를들어 정밀한 전압/전류를 사용해야하는 장치에 이러한 페로브스카이트 태양전지를 적용하여 전원으로 사용한다면 전류 - 전압 (I-V) 히스테리시스 효과로 인해 전압이 감소 또는 증가하는 방향에 따라 장치의 응답 특성이 변화할 수 있다. 따라서, 이러한 문제의 해결을 위해 히스테리시스의 메커니즘과 그 원인을 이해하는 것은 매우 중요하다.


아직 히스테리시스 현상의 근원에 대해서는 여전히 명확히 밝혀지지 않았지만, 히스테리시스 현상과 그 원인을 설명하기 위해 여러 메커니즘이 제안되었다. 특히 위의 그림과 같이 대략 4가지 정도 요인에 의해 페로브스카이트 태양전지의 히스테리시스 현상을 제어할 수 있는 것으로 생각된다.

 

(i) 강유전체 분극

(ii) 이온 이동

(iii) 전하 트래핑

(iv) 캐패시터 효과

 

 좀 더 자세한 내용을 알고 싶으면 2016년 Sol. Energy Mater. Sol. Cells 저널에 출판된 문헌(Hysterisis in organic-inorganic hybrid perovskite solar cells)을 참고하길 바란다.

 

 히스테리시스 현상이 발생하는 페로브스카이트 태양전지는 측정 환경에 따라 부정확한 효율이 측정될 수 있기 때문에 I-V 곡선의 측정시간 동안 히스테리시스 현상이 발생하지 않도록 주의를 기울여야한다. 이 문제를 해결하기 위해 최근 페로브스카이트 태양전지의 정확한 특성평가를 위한 방법에 대한 논문이 발표되었다. 해당 논문에서 AIST, Fraunhofer ISE NREL 등과 같은 널리 알려진 태양전지 측정 실험실에서 따르는 모범 사례 및 측정 표준과 기술에 대해 설명한다. 제시된 표준 프로세스를 간단히 요약하면 (1) 소자의 정확한 면적을 측정하고 적절한 마스킹을 하는것과 (2) 광원의 정확한 검교정을 전제로 (3) 정상상태에서 Jsc Voc를 결정하고 동시에 안정성을 모니터링하는 단계, (4) 다양한 스캔 속도에서 정방향 및 역방향으로 I-V 곡선을 측정하는 단계, (5) Pmax(최대전력점) 근처의 여러 상이한 전압에서 정상 상태의 광전류를 측정하는 단계, (6) IPCE 데이터를 통합함으로써 Jsc를 계산하는 단계와 (7) 최종적으로 다수 측정 샘플 세트에 대한 통계 분석 수행하는 단계로 이루어 진다.


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