페로브스카이트 태양전지 (Perovskite Solar Cells) (1)

페로브스카이트 태양전지

 

 최근 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells)에 대해 알아보겠습니다.

 

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 일컫는 단어입니다. 여기서 A와 B는 양이온, X는 음이온으로 구성되며 그림 1과 같이 면심입방체(Face Centered Cubic, FCC)와 체심입방체(Body Centered Cubic, BCC)가 혼합된 결정구조를 가집니다.

 

(a) 페로브스카이트의 기본 결정구조와 (b) 고효율 태양전지에 사용되는 MAPbI3의 결정구조

 

 과거에는 대부분 X가 산소인, 즉 ABO₃ 형태의 산화물 페로브스카이트에 대한 연구가 활발히 이루어졌습니다. 특히 A와 B 양이온의 크기에 따라 결정격자의 왜곡이 발생하고 입방구조의 안정성에 차이가 발생합니다. 이러한 결정격자의 왜곡은 결정의 대칭성을 깨트려 강유전성(Ferroelectricity), 압전성(Piezoelectricity) 또는 초전도성(Superconductivity)과 같은 특이한 물성을 유발하고 과거에는 이러한 특성에 대해 많은 연구가 이루어졌습니다. 대표적인 페로브스카이트 소재인 CaTiO₃ 이외에도 압전 세라믹으로 유명한 BaTiO₃, ZnSnO₃ (Zinc Stannate), PbZr_xTi_1-xO₃ 등이 페로브스카이트 물질로 널리 알려져 있습니다. 이런 산화물 페로브스카이트 물질 이외에도, ABX₃ 형태를 가지는 유기금속할로겐(Organometal halide) 계열의 페로브스카이트 재료가 발견되었고 특히 이러한 물질을 적용한 고효율 차세대 태양전지가 큰 주목을 받고 있습니다.

 

 

 

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 가집니다. A와 B, X의 조합에 따라 다양한 종류의 유기금속할로겐 페로브스카이트 물질이 존재할 수 있으나,  주로 Methylammonium lead iodide (MAPbI₃, CH₃NH₃PbI₃)와 Formamidinium lead iodide (HC(NH₂)₂PbI₃, FAPbI₃) 두 물질이 태양전지용 페로브트카이트 소재로써 활발히 연구되고 있습니다.

 

 페로브스카이트 태양전지에 가장 먼저 사용되었으며 가장 널리 알려진 물질인 MAPbI₃은 아래와 같은 장점을 가지고 있습니다.

 

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

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

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

4) 전하의 확산거리가 길어 생성된 광전류의 손실이 적음

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

6) 저렴한 소재로부터 합성이 가능함

7) 100℃ 이하의 저온에 용액 공정을 통해 태양전지를 제작할 수 있음

 

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

 

내용 및 사진 출처

 

Hysterisis in organic-inorganic hybrid perovskite solar cells (Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2016)