Korean Chemical Engineering Research

1 PISSN 0304-128X, EISSN 2233-9558

총 설

페로브스카이트 태양전지 안정성 개선을 위한 광활성층 연구 현황과 전망

송재관 · 김도형^† 전남대학교 화학공학부 61186 광주광역시 북구 용봉로 77

(2019년 10월 27일 접수, 2019년 12월 7일 수정본 접수, 2019년 12월 13일 채택)

Future Prospect of Perovskite Solar Cells for Practical Applications

Jae-Kwan Song and Do-Heyoung Kim^†

College of Engineering, Chonnam National University, 77, Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju, 61186, Korea (Received 27 October 2019; Received in revised form 7 December 2019; accepted 13 December 2019)

요 약

화석 연료를 이용하는 에너지원이 심각한 환경오염을 일으키고, 인류의 건강한 삶에 큰 영향을 주어 청정한 에너지 자원의 개발은 매우 중요한 이슈가 되었다. 화석 연료를 대체하기 위한 다양한 에너지원의 개발이 진행되고 있으며, 그 중 최근에는 태양 전지에 대한 관심이 점차 커지고 있다. 현재 실용화 되어 있는 태양전지는 실리콘 기반 태양전지인 데, 제조비용이 큰 단점이 부각되고 있으며 이에 따라 이의 단점을 개선하기 위한 노력과 동시에 실리콘 기반 태양전 지를 대체하려는 시도가 이루어지고 있다. 이중 실리콘 기반 태양전지를 대체할 후보로 페로브스카이트 태양전지가 큰 관심을 받고 있는데, 그 이유는 높은 광전 변환 효율, 저렴한 제조비용, 유연한 형태로의 제조 가능성 때문이다. 그러 나 현재 보고되고 있는 페로브스카이트 태양전지는 장기적 안정성이 떨어지며, 또 납으로 인해 신체에 유해하다는 큰 단점을 가지고 있다. 본 리뷰에서는 페로브스카이트 태양전지의 장기적 안정성을 높이는 방안들 그리고 환경적으로 유 해한 납을 사용하지 않는 방안들의 최신 연구 방향 동향에 관하여 살펴보았다.

Development of efficient methods for clean energy production became a critical issue to improve the quality of human lives. Solar cells is considered as one of the alternative solutions to resolve the issue. Although Si-based solar cells are only popularly utilized for practical applications, high manufacturing cost is considered as a serious drawback for further versatile applications. Thus, different types of are being investigated aiming to replace the Si-based solar cells. Recently, perovskite solar cells (PSC) are considered as a potential replacement for Si-based solar cells due to their low production cost, high power conversion efficiency, light weight and possibility of flexible device fabrication. Thus, we have reviewed the challenges of PSC faced with practical application, particularly on stability.

Key words: Renewable energy, Perovskite solar cell

†To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

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1. 서 론

세계적으로 화석연료의 고갈[1-5]과 더불어 환경오염을 막기 위 한 방법에 관한 관심이 증가하고 있다[6-12]. 하지만 화석연료는 아 직도 이를 대체할 에너지 자원이 없어 지배적으로 사용되고 추세이 다. 미래에는 화석연료의 사용을 대체할 수 있는 신재생 에너지 자 원들을 이용하여 친환경적인 에너지 발전이 필요하다. 그중에서 태 양 빛이라는 무한한 에너지 자원이 있으며, 인체에 해가 없는 태양

전지에 대해 알아보겠다.

1-1. 태양전지 원리

태양전지는 태양 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸어주는 장치이 다. 태양 빛을 이용하므로 자원의 고갈 위험이 없으며, 인체에 해가 없는 에너지 자원이다. 태양전지에 관한 연구는 1906년 시작하여 현재 실리콘 태양전지는 상용화 단계까지 이르렀고 이는 미래에 화 석연료를 대체할 수 있는 에너지가 될 수 있다[13]. 하지만 화석 연 료를 대체하기 위해서는 더 많은 연구와 기술 향상이 필요하다.

태양전지의 기본적인 원리는 Fig. 1의 구조에서 광활성층(active layer)에 태양 빛이 닿으면 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 받아, 전 자가 가전자대에서 전도대로 여기 하게 된다. 전자가 여기 된 후 그 자리에 정공이 형성된다. 광활성층에서 나누어진 전자와 정공은 전

도대와 가전자대에서 농도 차이에 의해 확산하게 된다. 나누어진 전자와 정공은 전자수송층, 정공수송층에 의해서 이동하여 전기가 흐르게 된다[14]. 이러한 원리를 이용하여 유기 태양전지[15-19], 탠덤 태양전지[20-25], 연료 감응형 태양전지[26-33], 기타[34-38]

등 다양한 방식의 태양전지들이 연구되고 있다. 태양전지 중 실용 화가 되는 실리콘 태양전지는 현재 26.7%의 효율을 가지고 있으며, 이론적 광전변환 효율은 33%이다[39,40]. 오래전부터 시작한 연구 로 인해 많은 성과를 보이는 상태이다. 하지만 값비싼 가격과 어려 운 공정 등의 다양한 한계점들로 인해 대체할 방법들이 연구되고 있다. 다양한 방법 중에서도 페로브스카이트 태양전지는 가격이 싸 며, 간단한 공정으로 이를 대체할 수 있는 수단이 될 수 있다.

1-2. 페로브스카이트 태양전지

페로브스카이트 태양전지의 발전은 2009년 Tsutomu Miyasaka 연구팀에서 할로겐 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 사용하여 3.81%의 효율을 나타냄으로써 시작되었다. 다공성의 TiO2막을 이 용한 연료 감응형 태양전지가 아닌 납이 포함된 할로겐 페로브스카 이트(CH₃NH₃PbI₃)의 사용은 기존의 유기 태양전지 효율보다 더 높은 광전변환 효율을 가질 수 있는 발단이 되었다[41]. 이후 2012 년 Michael Grätzel과 박남규 팀에서 9%의 광전변환 효율을 보고 하면서[42] 페로브스카이트 태양전지에 관한 연구가 활발히 시작되 어 현재는 23.7%의 효율까지 보고되고 있다[39].

페로브스카이트는 ABX3의 구조로 되어 있는 물질들을 말하며, A는 유기 양이온, B는 금속 양이온, X는 할로겐화물 또는 산화물로 이루어진다. 페로브스카이트 태양전지에서 많이 사용되는 물질로는 각각 A는 Cs, MA(메틸 암모늄 이온), FA(포르마미디늄 이온), B는 Pb, Sn, X는 I, Br, Cl이 있다. 페로브스카이트 구조를 이용할 때 장 점은 기존 유기 태양전지의 개방전압이 0.6V~0.7 V 정도지만 페로 브스카이트 태양전지는 1.0V~1.2 V의 개방전압을 가지며 높은 광

흡수성을 보인다. 이에 따라 이론적 광전변환 효율도 증가하며 또 한 합성방법도 간단하여 태양전지 소자 제작이 쉽다[43,44].

Fig. 2에 나타낸 바와 같이 페로브스카이트 태양전지는 크게 정 구조형 페로브스카이트 태양전지와 역구조형 페로브스카이트형 태 양전지로 구분된다. 정구조형 페로브스카이트 태양전지는 기판 위 에 전자수송층, 페로브스카이트 광활성층, 정공수송층, 전극의 구조 로 되어있다. 역구조형 페로브스카이트 태양전지는 기판 위에 정공 수송층, 페로브스카이트 광활성층, 전자수송층, 전극의 구조이다.

세부적으로는 다공성 물질을 사용하는 경우와 평평한 구조의 층을 사용하는 경우로도 나눌 수 있다. 정구조와 역구조 구조에서 기존 에 사용하고 있는 물질들의 문제점을 개선하고 다양한 물질들을 주 입해 시도해보는 연구들이 많이 진행 중이다[45,46]. 또한 광활성층, 전자수송층[47-57], 정공수송층[58-73], 기타[74-80] 등 층별 다양 한 방법의 연구들이 진행되고 있다. 그중에서 광활성층에 관한 이 슈와 해결방안에 대해 살펴보겠다.

2. 페로브스카이트 광활성층 이슈 및 해결방안 현재까지 보고된 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지는 MA, FA 양이온과 Br, I 할로겐 물질을 섞어 제작한 페로브스카이트 구 조를 가지는 물질이다. 페로브스카이트 구조는 높은 광 흡수성을 가지며 전하 캐리어 확산 길이가 길며, 양이온과 할로겐의 조성을 통해 다양하게 만들 수 있다는 장점이 있다. 또한 실리콘 태양전지 와 비교하면 가격이 싸며 제조 공정 또한 단순하다[81,82]. 하지만 이는 태양전지에 안정성에 악영향을 미치는 히스테리시스를 보이 며, 수분에 취약하며 열 안정성, 광 안정성이 떨어지며 현재 주로 연구되고 있는 페로브스카이트 같은 경우 납을 포함하고 있어 인체 에 해롭다[83-85]. 페로브스카이트 태양전지의 실용화를 위해서는 장기적인 안정성과 독성이 있는 납을 대체할 수 있는 수단에 대한 문제 해결이 중요하다. 이러한 문제 해결을 통해서 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것이다.

2-1. 페로브스카이트 광활성층 양이온의 대체/혼합을 통한 안정성 증진

전술한 바와 같이, 페로브스카이트 효율 증진뿐만 아니라 장기적 인 구동 안정성까지 얻는 것이 목표이기 때문에 페로브스카이트 물 질 중 양이온 대체 및 혼합을 통해 구동 안정성과 히스테리시스를 극복하려는 많은 연구가 진행 중이다[86].

Fig. 1. Structure of solar cell.

Fig. 2. Schematic diagram of various perovskite solar cells.

2018년 Juan-Pablo Correa-Baena 연구팀에서는 페로브스카이트 양이온 MA, FA와 Rb을 섞어서 20.3%의 효율과 히스테리시스를 극복하는 방법을 보였다(Fig. 3). Rb은 Cs과 같은 족으로써 비슷하 게 높은 효율과 85^oC에서 장기간 안정성을 보이기 때문에 사용하 였다. MAFA 용액에 RbI를 5, 10%를 첨가했을 때 페로브스카이트 입자의 크기 433nm, 452nm로 RbI 0, 1% 첨가하였을 때의 입자 크기인 307nm, 381nm보다 커지는 것을 확인하였다. 입자의 크기가 커질 수록 더 높은 전하 이동을 가지게 되어 Rb 1% 포함된 RbMAFAPbI3구 조의 페로브스카이트 태양전지가 1.17 V의 개방전압과 23.1mA/cm²의 단락전류밀도를 가지면서 전기적 성능이 향상되는 것을 확인하였 다. 이 논문에서는 Rb 첨가를 통해 Rb가 페로브스카이트 구조 사 이에 침투하여 입자의 크기를 늘리는 역할을 하여 페로브스카이트 입자의 크기가 커지며, 전하 캐리어 이동도가 증가하여 결함 부분 에서 전압변화에 빠르게 반응하기 때문에 히스테리시스가 극복되는 것을 확인하였다[87].

2017년 Tsutomu Miyasaka 연구팀에서는 MA, FA와 I, Br을 혼

합하고 Cs을 첨가하여 균일성이 높고 큰 입자를 가진 페로브스카 이트 합성을 통해 20.8%의 광전변환 효율과 18주 이상 높은 구동 안정성을 보였다. Cs은 페로브스카이트 결정 성장과 표면의 균일성을 향상시키기 때문에 사용하였다. Cs이 첨가되지 않은 것보다 Cs 5%

첨가되었을 때 입자 성장이 일어났고 Cs 10% 첨가일 때 큰 입자의 분산이 되지 않아 입자의 크기가 감소하였다. 또한 용매(클로로벤 젠, 에틸 아세테이트, 톨루엔)에 따른 다양한 결정구조를 가짐을 보 였다. 페로브스카이트 입자 크기를 늘려 높은 전하 이동성을 통해 히스테리시스를 극복하고 높은 안정성을 띄었다. Cs 5% 포함된 CsMAFAPbBr_xI_3-x구조의 페로브스카이트 태양전지가 1.14 V의 개 방전압과 23.6 mA/cm²의 단락전류밀도를 가지며, 77%의 충진율을 보였다. 용매를 달리하였을 때도 평균적으로 위의 전기적 성능과 비슷함을 보였다. 이 논문에서는 Cs 양이온이 페로브스카이트 구조에 침투해 입자 성장이 일어났으며, Cs 양이온이 5%보다 많을 때는 입자의 분산이 잘되지 않아 침투가 쉽지 않았다. Fig. 4에 나타난 바와 같이 용매에 따른 페로브스카이트 표면의 변화보다는 Cs 첨 Fig. 3. (a) Perovskite active layer surface SEM image by Rb dddition, (b) Distribution of solar cell hysteresis by cationic type [87].

Fig. 4. (A) Cs0, (b) Cs5, (c) Cs10 perovskite active layer surface SEM image with Cs addition, (d) Cs-based perovskite solar cell electrical characteristics long-term stability change [88].

가를 통해 생성된 페로브스카이트의 구동 안정성이 개선되었다고 볼 수 있다[88].

2018년 Michael Saliba 연구팀에서는 밴드갭 조절과 열적으로 불 안정한 MA를 대신해 Cs, Rb, FA를 혼합하여 20.35%의 광전변환 효율과 1000시간 동안 적은 손실을 보이는 안정한 페로브스카이트 물질을 보였다. MA는 80^oC보다 낮은 온도에서 CH₃, NH₃로 분해 되기 때문에 안정한 FA, Rb, Cs을 사용하였다. FAI에 Rb와 Cs를 각각 일정 비율로 섞었을 때, 표면이 너무 불규칙적이고 입자 크기 또한 다양하였다(Fig. 5). Rb의 첨가한 양, Cs의 첨가한 양에 따른 페로브스카이트와 Rb, Cs 함께 첨가한 페로브스카이트를 실험적으로 평가하였을 때 각각 Rb은 5%, Cs은 10%이고 Rb와 Cs을 포함한 페로브스카이트는 두 결과를 합친 Rb 5%, Cs 10%인 페로브스카이트가 높은 광전변환 효율을 얻었다. SEM 이미지를 통해 Rb5Cs₁₀FA₈₅I일 때 좋은 표면의 페로브스카이트를 가지는 것을 확인하였다. Cs의 격자를 Rb이 쉽게 변화시켜 더 안정적이고 매끄러운 표면의 페로 브스카이트를 합성할 수 있었다. Rb5Cs₁₀FA₈₅PbI₃구조의 페로브 스카이트 태양전지가 1.09 V의 개방전압과 25.06 mA/cm²의 단락 전류밀도를 보였다. 이 논문에서는 Rb, Cs 첨가에 따른 페로브스카 이트 격자나 입자크기 들을 조절하기 위해 적절한 비율을 찾았다.

일정 농도 이상이 되면 분산이 잘 안 되고 불균일한 표면을 보였고, 적절한 비율이 첨가되었을 때 페로브스카이트 격자 사이에 침투로

인해 균일하고 큰 입자크기를 가지는 표면의 페로브스카이트를 합 성할 수 있었다[89].

2018년 Hiroshi Segawa 연구팀에서는 Rb을 첨가하여 85^oC에서 350시간 동안 18%의 광전변환 효율로 74% 유지하였다. Rb 양이온 의 높은 효율과 수분 안정성은 다른 논문들에 의해 밝혀졌으나 열 적 안정성에 대한 평가가 없어 이 논문에서는 열적 안정성에 대한 평가를 하였다. Rb 첨가를 통해 PbI2의 성장을 억제하여 페로브스 카이트 구조가 분해되지 않아 열적으로도 안정한 페로브스카이트를 유지할 수 있었다. RbPbI3구조의 페로브스카이트에 PTAA(Poly (triaryl amine))를 첨가하였을 때 1.17 V 개방전압과 22.66 mA/cm²의 단락전류밀도를 가지며, 79%의 충진율을 보였다. 이 논문에서는 태양전지의 상용화를 위해서는 열적 안정성이 필수적인데, Rb 첨 가한 페로브스카이트 태양전지는 85^oC에서 열적으로 안정적인 태 양전지를 보였다. 그리고 2018년 Tao Xu 연구팀에서는 PbSe를 첨 가하여 10.44%의 광전변환 효율을 얻었으며, 대기 중에서 700시간 후 70%를 유지하였다. Se는 Pb와 강한 공유결합과 더불어 Pb와 결합을 통 해 밴드갭을 줄여 화학적 안정성을 유지할 수 있다. PbSe:MAPbI3구 조의 페로브스카이트 태양전지가 0.94 V의 개방전압과 16.7mA/cm²의 단락전류밀도를 가지며, 66%의 충진율을 보였다. 대기 중에서 안 정성이 낮은 MAPbI3의 격자 사이에 PbSe, PbS와 같은 도펀트 원 자가 삽입되어 격자가 확장됨에 따라 안정성이 증진되었다(Fig. 6).

Fig. 5. SEM image of perovskite active layer surface with addition of Cs and Rb [89].

Fig. 6. (a) Perovskite solar cell electrical characteristics long-term stability change, (b) perovskite active layer XRD I 3d peak [90].

또한 Se^2- 이온은 메틸암모늄 양이온과 강한 전기적 상호작용을 통 해 요오드 이동을 감소시켜 이온들의 확산을 방해하여 더욱 안정한 태양전지를 만들었다. 이 논문에서는 PbSe를 첨가하여 격자 사이에 침투하여 격자의 불안정성을 극복하고 요오드의 확산을 방지하여 MAPbI₃의 구조를 더욱 안정하게 만들었다[90].

위 논문들의 데이터들을 보았을 때, ABX₃구조의 페로브스카이 트 중 A 자리의 양이온 혼합 또는 대체를 통해 페로브스카이트 표 면의 입자크기를 증가시켜 더 높은 전하 이동을 통해 태양전지 디 바이스 성능을 향상시키고 히스테리시스까지 극복할 수 있는 것을 보였다. 열적으로 취약한 MA 양이온을 대체할 수 있는 물질들로는 Rb, Cs, BA, FA 등이 있다. 또 다른 방법으로는 PbSe와 같은 물질 들을 넣어 MA 양이온의 결합을 단단하게 하여 안정하게 하는 방법 도 있다. 비율에 따라 결정의 크기, 격자 구조나 표면의 상태가 변 하는 것을 확인하였고, 이는 적정 비율을 통해 페로브스카이트 표 면의 안정성을 증진하는 역할을 할 것이다.

2-2. 페로브스카이트 광활성층에 이종 물질 첨가를 통한 안정성 증진 2018년 박남규 연구팀에서는 NaI, KI, RbI, CsI 의 알칼리 금속 요오드를 첨가함에 따라 히스테리시스를 극복하는 것을 보였다 (Fig. 7). 알칼리 이온의 지름이 Li (0.76Å)에서 K (1.38Å)로 증가 할 때 히스테리시스가 감소하는 경향을 보였고, 이온반경이 Rb (1.52Å), Cs (1.67Å)처럼 크게 증가하면 다시 나타나는 현상을 보 였다. 이는 K 이온이 FA, Cs 양이온보다 작아 격자 사이에 삽입되 어 격자를 확장해 더 안정한 3차원 구조를 만들고 Rb, Cs은 입자의 크기가 커서 격자 사이 침투가 어려워 안정하지 않게 되어 다시 히

스테리시스를 보였다. 또한 양이온과 음이온의 반경 비를 나타내는 그래프를 보았을 때, Li 양이온 같은 경우 너무 작아 격자 사이에 이동이 쉽고 완전히 채우기는 어렵지만, Cs 양이온 같은 경우 너무 커 침입부위에 막지 않는 효과가 나타났다. 격자에 알맞은 K 양이 온 첨가를 통해 전하의 이동을 원활하게 하여 히스테리시스를 극복 하였다. SEM 이미지를 통해 K를 첨가한 양에 따라 페로브스카이트 표면의 큰 변화가 없는 것을 확인하였고, XRD 데이터를 통해서도 결정구조의 큰 변화를 볼 수 없었다. K를 첨가한 FAMACsPbIxBr_3-x 구조의 페로브스카이트 태양전지가 21.76 mA/cm²의 단락전류밀도와 1.13 V의 개방전압을 가지며 73%의 충진율과 18.2%의 광전변환 효율을 보였다. 이 논문에서는 페로브스카이트 격자 구조 사이에 알칼리 금속 이온들을 침투시켜 격자의 크기를 확장하는 역할을 하 였다. 하지만 Rb, Cs 이온은 크기가 커서 격자의 크기에 맞지 않았고, Na 이온은 작아서 격자 사이를 통과하고, K 이온의 첨가를 통해 격 자를 확장해 원활한 전하 이동을 보였다[85].

2018년 Shengzhong (Frank) Liu 연구팀에서는 Na, K 같은 알칼리 금속 이온을 첨가하여 18.57%의 광전변환 효율을 얻었다. 알킬금 속은 안정성이 높으며 산화, 환원에 내성이 있으므로 사용되었다.

기존의 페로브스카이트 입자 크기인 140 nm보다 NaI, KI를 첨가하여 입자의 크기가 각각 220 nm, 230 nm로 증가하였다. 쌓인 높이는 9.91 nm에서 각각 8.99 nm, 7.94 nm로 차이가 줄었다. 이는 첨가를 통해서 전하의 이동이 빨라지고 히스테리시스가 감소하였다. Na를 첨가한 페로브스카이트 태양전지의 개방전압은 1.06 V에서 1.10 V로, 단락전류밀도는 20.97 mA/cm²에서 21.16 mA/cm²로, 광전변환 효 율은 15.56%에서 18.16%로 증가하였다. 이 논문에서는 알칼리 금속

Fig. 7. (a) J-V curve of perovskite solar cell with diameter of alkali metal ion and each ion added, (b) ratio of cation and anion for each alkali metal ion, (c) perovskite photoactivity with addition of KI Layer surface SEM image [85].

이온의 첨가를 통해 이온이 격자구조를 팽창시켜 페로브스카이트 입자의 크기를 증가시켰고, 전하의 이동이 빨라졌다[91].

2018년 Shengzhong (Frank) liu 연구팀에서는 페로브스카이트 광활성층에 폴리머를 첨가하여 19.19%의 효율과 2주 동안 90%의 광전변환 효율을 유지하는 것을 보였다. 긴 체인의 폴리머는 페로 브스카이트 입자 사이 네트워크 형성을 통해 필름의 표면 개질과 디바이스 성능을 향상하기 위해 사용되었다. 이 논문에서는 P-타입의 반도체 물질인 J71 폴리머의 농도별 첨가에 따른 반응을 살펴보았 다. 0.005% J71 물질을 첨가하였을 때, 페로브스카이트 입자와 큰 차이가 없는 것으로 확인되었고, 더 높은 농도를 첨가하였을 때는 반응물이 많아 페로브스카이트 표면을 덮어버렸다. J71 0.005%를

첨가한 페로브스카이트 태양전지는 22.31 mA/cm²의 단락전류밀 도밀도와 1.109 V의 개방전압을 가지며 77%의 충진율과 19.19%의 가장 높은 광전변환 효율을 보였다. J71의 농도가 증가함에 따라 효율이 다시 감소하였고, 이는 페로브스카이트 표면을 덮어 원활한 전하이동에 방해됨을 알 수 있었다. TRPL 데이터를 통해 τave(평균 재결합 수명)이 기존의 페로브스카이트는 34.16 ns에서 J71을 첨가 하였을 때, 23.02 ns로 증가하여 더 효율적인 전하 이동과 수집을 나타내었다. 나이퀴스트 선도를 통해 τn(실제사용시간)은 3.01 μs에서 J71을 첨가하였을 때 4.73 μs로 증가하여 전하가 재결합하는 시간 이 증가하여 재결합을 방지할 수 있음을 보였다. 이 논문에서는 고 분자를 첨가하여 적정 농도에서 페로브스카이트 표면의 큰 변화가

Fig. 8. (a) AFM image and surface, cross-sectional SEM image of each perovskite active layer, (b) TRPL distribution and (c) Nyquist plot of perovskite added MAPbI₃ and MAPbI₃ + 0.005% J71 [93].

없고, 그 이상의 농도에서는 페로브스카이트 표면을 덮어 전하 이 동이 원활하지는 않았다. 또한 고분자의 특성으로 인해 표면에서 전하의 이동을 빨라지게 하는 네트워크를 만들어 전기적 성능까지 뛰어났다[92].

2018년 송명훈 연구팀에서는 새로운 반도체 화학 첨가제인 SA-1, SA-2 물질을 첨가하여 20.3%의 광전변환 효율과 높은 습도에서 170시간 동안 안정성을 보였다(Fig. 8). 기존의 페로브스카이트 입 자의 크기(0.25 μm)보다 SA-1 (0.5 μm), SA-2 (0.6 μm)로 입자가 성장하였다(Fig. 9). SA-2를 첨가한 페로브스카이트 태양전지는 첨 가하지 않은 페로브스카이트 태양전지보다 우수한 단락전류밀도, 개방전압, 충진율, 광전변환 효율 등 다양한 지표에서 전기적 성능이 우수함을 보였다. TRPL 데이터를 통해 τave는 11.4 ns에서 5.0 ns, 3.4 ns로 낮아졌으며, 이는 SA 물질이 더 효율적으로 전자를 이동 시키는 데 도움이 되는 것을 확인하였다. 나이퀴스트 선도를 통해 기존 페로브스카이트(7.108 μs) 보다 SA-2 (3.998 μs)로 재결합 전에 재결합을 방지하여 더욱 안정적이고 높은 디바이스 성능을 보이는 것을 확인하였다. 이 논문에서는 마찬가지로 고분자를 이용해 페로 브스카이트 표면에서의 전하 이동을 원활하게 하는 네트워크를 형 성하여 전자를 이동하는 데 도움을 주는 역할을 하였다[93].

2018년 Michael Grätzel 연구팀에서는 1-adamantylamine (ADA)와

adamantane (AD) 물질을 페로브스카이트 광활성층에 첨가하여 21.3%의 광전변환 효율과 300시간 동안 98%의 효율 유지하는 높은 안정성을 보였다. 이 논문에서는 AD와 ADA 첨가한 페로브스카이 트의 결함상태를 완화하기 위해 사용되었다. SEM을 통해 AD, ADA를 첨가하였을 때, 기존의 페로브스카이트 필름과 특별한 차 이가 나지 않는 것을 확인하였다. ADA를 포함한 페로브스카이트 태양전지는 1.15 V의 개방전압과 22.6 mA/cm²의 단락전류밀도와 80%의 충진율, 20.93%의 광전변환 효율로 향상하였다. 또한 PL 데 이터를 통해 ADA(126 ns)가 AD(83 ns)와 기존 페로브스카이트 (42 ns)보다 더욱 긴 수명을 가지는 것을 확인하였다(Fig. 10). 이 논 문에서는 고분자의 일정 농도를 첨가함에 따라 페로브스카이트 표 면에서 전하이동을 원활하게 해주는 역할로서 고분자가 사용되며 더욱더 안정하게 페로브스카이트의 분해를 막고 오랫동안 유지할 수 있게 하는 역할을 하였다. ADA 물질을 첨가함으로써 포획된 캐 리어에 의해 페로브스카이트 필름에서 이온 이동을 일으키는 네트 워크를 형성하기 때문에 높은 전하 이동을 보이고 이에 따라 전기 적 성능 향상과 히스테리시스가 감소하는 것을 확인하였다[94].

위 논문들의 데이터들을 보았을 때, 다양한 물질 첨가를 통해 페 로브스카이트 격자 사이에 알맞은 크기의 이온 또는 고분자를 삽입 시켜 전하의 이동을 원활하게 하는 네트워크를 형성하고 표면을 보

Fig. 9. (a) Perovskite photoactive layer surface SEM image for each perovskite active layer, (b) PL graph, (c) Nyquist plot of photocurrent and photovoltage [93].

호할 수 있는 역할까지 하였다. 주로 첨가되는 물질은 알칼리금속 인 Na, K이다. 알칼리 금속의 이온 크기가 페로브스카이트 격자 구 조에 침투하여 더욱 안정적인 표면을 만들기도 한다. 또한 고분자 로 사용되는 물질들은 전기적 특성이 뛰어나고, 장기적인 안정성이 뛰어나다. 다양한 물질 첨가를 통해 페로브스카이트 입자 크기를 증가시키고, 표면의 전하 이동을 빠르게 하는 네트워크를 형성함을 통해 전하이동이 빨라지는 효과를 보여준다.

2-3. 페로브스카이트 광활성층의 수분 및 UV에 안정성 개선 방안 2018년 Mercouri G Kanatzidis 연구팀에서는 BAMAPbI3를 용 매에 달리하여 페로브스카이트를 합성한 결과, 10%의 광전변환 효 율과 30일 이상의 수분 안정성을 갖는 것을 확인하였다. 3차원 구 조에서 2차원 구조로 변형하였을 때, BA (부틸암모늄 이온)와 같은 유기 양이온의 소수성에 의해 수분 안정성을 갖기 때문에 사용하였 다. 3:1 DMF(Dimethyl formamide) : DMSO(Dimethyl Sulfoxide) 용매로 제작한 BAMAPbI3구조의 페로브스카이트 태양전지가 0.98V의 개방전압과 15.5mA/cm²의 단락전류밀도와 65.5%의 충진 율을 보였다. 2차원 구조로 만든 BAMAPbI₃의 PbI₂피크가 장시간 동안 나타나지 않음을 통해 페로브스카이트가 수분에 의해 PbI2와 양이온으로 분해되지 않고, 안정하다는 것을 확인할 수 있었다. 이 논문에서는 습도가 높은 대기에서 페로브스카이트가 3차원 구조와 2차원 구조의 혼합된 형태에서 수분에 의한 분해가 일어나지 않고 안정적인 것을 보였다(Fig. 11). 현재 페로브스카이트 자체에 수분 취약성을 이를 통하여 더욱 개선할 수 있을 것으로 보인다[95].

2018년 Annamaria Petrozza 연구팀에서는 기능성 폴리머인 PEO (Poly ethylene oxide)를 페로브스카이트 광활성층 위에 증착

하여 16%의 효율을 보였으며, 캡슐화 없이 주위 대기에서 15시간 동안 95%의 효율을 유지하는 높은 수분 안정성을 보였다. 기존의 페로브스카이트와 흡습성 폴리머인 PEO, 소수성 폴리머인 PS Fig. 10. (a) Perovskite active layer TRPL distribution for each added substance, (b) perovskite solar cell changes in electrical characteristics with

time [94].

Fig. 11. XRD data over time of (a) MAPbI₃ and (b) BA₂MA₄Pb₅I₁₆ and (c) PbI₂ peak change over time [95].

Fig. 12. (a) Structure of perovskite solar cell and schematic diagram of water molecular penetration according to PEO and PS addition, (b) Existing perovskite active layer, PS added perovskite active layer, PEO added perovskite active layer time Photo image according to change of 15 days at 88% humidity [96].

(Poly styrene)을 페로브스카이트 광활성층 위에 패시베이션했을 때 를 비교하였을 때, 88% 습도 분위기에서 PEO를 첨가한 페로브스 카이트가 안정하게 유지되며 개방전압이 1.098 V, 단락전류밀도가 19.87 mA/cm², 75%의 충진율을 가졌다. Fig. 12에 나타낸 바와 같이

이 논문에서는 흡습성 폴리머인 PEO가 페로브스카이트 표면의 납 이온과 화학적 상호 작용을 통해 PEO 박막에서 페로브스카이트 광 활성층으로 물 분자가 포함되는 것을 방지하여 수분 안정성을 뛰어 나게 하며, 전기적 성능을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다[96].

2015년 용기중 연구팀에서는 페로브스카이트 태양전지 소자에 Teflon을 패시베이션하여 11%의 광전변환효율을 대기 중에서 30일 동안 95% 유지하였다(Fig. 13). 페로브스카이트 태양전지에 소수성 폴리머인 Teflon을 패시베이션했을 때 CA(접촉각)가 53^o에서 118^o 에서 변하였고, 이는 페로브스카이트 태양전지 소자의 상부에서 물과 습도를 효과적으로 차단하여 수분 안정성을 뛰어나게 할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 0.92 V의 개방전압과 17.9 mA/cm²의 단락전류밀도, 72%의 충진율을 가진다. Teflon이 패시베이션되지 않을 때는 페로브스카이트가 PbI2로 분해되어 XRD 피크를 통해 나타난다. 이 논문에서는 페로브스카이트 태양전지 소자에 소수성 폴리머를 패시베이션하여 페로브스카이트 광활성층으로 투입되는 물 분자 침투를 차단하여 페로브스카이트가 장기적으로 수분 안정 성과 구동 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있었다[97].

2018년 Peidong Yang 연구팀에서는 공정 온도를 조절하여 7%의 광전변환 효율을 얻었으며, 좋은 디바이스 안정성을 보였다. 페로 브스카이트는 일반적으로 열을 가해짐에 따라 3차원 구조를 가지 며 수분을 흡수했을 때 구조가 깨진다. 고온공정을 통해 만들어 3 차원 구조를 유지함을 통해 개방전압이 1.01 V, 단락전류밀도가 8.65 mA/cm², 충진율이 63%로 전기적 성능이 향상함을 보였다. 또 한 투과도를 측정한 결과 저온공정일 때(81.7%)보다 고온공정일 때(35.4%)로 효율적인 전하의 이동을 도와 안정할 수 있는 태양전 지를 만들 수 있었다. 이 논문에서는 페로브스카이트 3차원 구조를 고온공정을 통해 안정하게 유지하게 해줌으로써 더욱 안정한 페로 브스카이트 형성을 보였다. 3차원 구조를 가지는 페로브스카이트가 2차원 구조의 페로브스카이트보다 더욱 수분 안정성을 보이며 전기 Fig. 13. (a) Schematic and digital image with and without surface pas-

sivation, (b) J-V curve with and without passivation of per- ovskite solar cell device [97].

Fig. 14. (a) Schematic diagram of perovskite active layer structure change before and after light, (b) electrical characteristics by perovskite active layer long-term stability [99].

적 성능이 우수함을 보였다[98].

2019년 Aditya D. Mohite 연구팀에서는 일정한 빛을 연속적으로 쐬어주는 방법을 이용하여 20.5%의 광전변환 효율과 1500시간 동 안 안정성을 유지함을 보였다(Fig. 14). 크기가 다른 양이온들에 의 해 격자가 수축하여 있는데. 빛을 연속적으로 쐬어줌으로써 격자를 팽창시켜 3차원 구조를 더욱 안정하게 유지시키는 역할을 했다. 빛 을 쬐여줌에 따라 페로브스카이트 태양전지의 전기적 성능이 개방 전압이 0.73 V에서 1.08 V로, 충진율은 60%에서 74%로 증가하였 다. 또한 FA 양이온을 혼합하면서 광 안정성까지 뛰어난 결과를 확 인하였다. 이 논문에서는 페로브스카이트 격자구조를 안정적으로 만들었을 때, 더욱 광 안정성뿐만 아니라 전기적 특성까지 증가하는 것을 확인하였다. 즉, 격자 구조가 3차원 페로브스카이트 구조에서는 불안정하게 유지하고 있었으나, 안정한 형태로 만들었을 때 페로브 스카이트 태양전지의 광 안정성이 증가하는 것을 알 수 있었다[99].

2018년 Saif A. Haque 연구팀에서는 PhEtNH₃I (Phenylammonium iodide)를 페로브스카이트 광활성층에 패시베이션하여 16%의 광전 변환효율을 얻었으며, 500시간동안 85%를 유지하였다. 기존의 페 로브스카이트는 빠른 시간 안에 효율이 감소한 반면, 요오드화 염을 패시베이션한 페로브스카이트의 경우는 광활성층과 정공수송층 간의

계면 전하 이동을 원활하게 하였고 빛과 산소에 노출되지 않았기 때문에 과산화물을 형성을 막았으며 필름 안정성이 향상되었다 (Fig. 15). 요오드화 염 중 PhEtNH3I이 더욱 안정하게 유지할 수 있었다.

이 때, 1.07V의 개방전압, 23.07 mA/cm²의 단락전류밀도, 68%의 충진율을 가진다. 이 논문은 기존에 사용하고 있는 페로브스카이트 광활성층에 요오드화 염 물질인 PhEtNH₃I와 MAI (Methylammonium iodide)와 같은 물질을 첨가하여 광전변환효율을 떨어뜨리지 않으 면서 산소로 인한 과산화물 형성을 방지하고 광 안정성을 높일 수 있었다[100].

위의 논문들을 보았을 때, 페로브스카이트의 안정성 연구들은 페 로브스카이트의 3차원 구조에서 격자 구조와 입자의 크기에 따른 안정성을 보였다. 1) 격자에 맞는 이온을 침투시키거나, 2) 격자를 팽창시켜 안정한 구조를 만들거나, 3) 고분자를 통해 페로브스카이 트 표면의 네트워크를 형성시켜 페로브스카이트 격자 구조를 안정 시키고 입자의 크기를 증가시켜 전하의 이동을 원활하게 하여 히스 테리시스를 낮추었고, 안정성을 증진시켰다[101].

또한 페로브스카이트 광활성층에 고분자를 삽입시키거나, 페로 브스카이트 광활성층 표면의 패시베이션을 통해 페로브스카이트 광활성층에 물 분자가 침투하지 못하게 하여 페로브스카이트의 수

Fig. 15. (a) Efficiency loss graph according to the amount of salt added to perovskite active layer, (b) Efficiency loss graph over time [100].

Fig. 16. (a) Sn, Pb based perovskite solar cell electrical characteristic distribution, (b) J-V curve of each perovskite solar cell [103].

분 안정성, 광 안정성을 증진시켰다.

2-4. 납을 대체하기 위한 새로운 페로브스카이트 광활성층 재료 연구

납의 인체 유해성으로 인해 이를 대체하는 것은 페로브스카이트 태양전지의 실용화를 위해서 필수적인 요소 중 하나이고, 이에 관 한 많은 연구가 진행되고 있다[102].

2014년 Henry J. Snaith 연구팀에서는 납을 사용하지 않는 CH₃NH₃SnI₃페로브스카이트를 처음으로 만들어 6%의 효율을 보 였다. SEM 이미지를 보았을 때 MASnI3는 무작위로 배향된 결정 구조를 보여주고, MAPbIxCl_3-x는 표면이 Sn 기반 페로브스카이트에 비해 매끄러운 것을 확인할 수 있었다. MASnI3의 두께가 두꺼워졌을

때는 특별한 결정구조가 나타나지 않고 다공성의 TiO2사이로 스며든 것을 확인하였다. Sn을 기반의 페로브스카이트 태양전지의 개방전 압이 0.88 V, 광전변환 효율이 6.4%로 전기적 성능은 납 기반의 페 로브스카이트 비해 떨어졌다(Fig. 16). 이 논문에서는 기존의 납을 사용한 페로브스카이트에서 납이 아닌 Sn을 사용한 페로브스카이 트를 사용하여 비록 납과 비교하면 성능은 낮지만 전기적 성능이 나타남을 보였다[103].

2018년 석상일 연구팀에서는 MASbSI2의 페로브스카이트를 합 성하여 3%의 광전변환 효율과 열적 안정성, 장기적 안정성이 뛰어 난 무납 페로브스카이트를 보였다. 15족 원소인 Sb, Bi와 16족 원 소인 S, Se 화합물은 알맞은 밴드갭과 높은 광 흡수율, 대기·수분 안정성이 뛰어나며, 환경 친화적인 특성이 있어 사용하였다. SEM

Fig. 17. Graph of electrical characteristics change over time of MASbSI₂ [104].

Fig. 18. J-V curve by perovskite active layer structure and amount of N₂H₄ added [105].

데이터를 통해 기존의 페로브스카이트 표면과 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. MASbSI₂구조의 페로브스카이트 태양전지의 전기적 성능은 개방전압이 0.65 V, 단락전류밀도가 8.12 mA/cm², 충진율이 58.5%, 광전변환 효율은 3%로 납 기반의 페로브스카이트에 비해 많이 떨어진다. 85^oC의 대기 중에서 30일 동안 약 90%를 유지하 였고, 전기적 특성 또한 15일 동안 90%를 유지하였다(Fig. 17). 이 논문에서는 Pb, Sn, Ge 등 14족 원소가 아닌 15족 원소인 Sb, 16족

원소의 S의 결합을 통한 안정성을 보였고, 전기적 성능이 나타남을 보였다. 이는 무납 페로브스카이트를 연구할 때, 14족이 아닌 다양 한 원소들을 통해 극복해 나갈 수도 있음을 보였다[104].

2017년 Mercouri G Kanatzidis 연구팀에서는 Sn을 포함하는 페 로브스카이트를 합성하기 위해 기존에 사용하는 SnF2가 아닌 N2H₄를 이용하여 약 3%의 광전변환효율을 얻었다(Fig. 18). SnF₂는 공기·

수분 안정성이 뛰어나며 Sn의 산화를 막을 수 있으나, 표면이 좋지

Fig. 19. FA_0.75MA_0.25Sn_1-xGe_xI₃ perovskite according to the amount of Ge added, active layer surface AFM image according to (a) x = 0, (b) x = 0.05, (c) x = 0.10, (d) x = 0.20, (e) J-V curve per perovskite solar cell and (f) efficiency change with time [106].

않아 페로브스카이트 성능 향상에는 불리하다. 그래서 N2H₄는 강 력한 환원제로 Sn⁴⁺이온 형성을 억제할 수 있고, 높은 어닐링 온도 가 필요 없이 도입 및 제거가 쉽게 높은 휘발성을 갖기 때문에 사용 되었다. N2H₄를 이용하여 만든 Sn을 포함하는 페로브스카이트 태 양전지는 SEM 데이터를 통해 차이가 없는 것을 확인하였다. N2H₄ 첨가 농도에 따른 전기적 특성을 평가한 결과 N₂H₄를 사용하지 않 은 것들보다 일정비율 (300m N2H₄) 사용하여서 만든 페로브스카 이트가 더욱 높은 디바이스 성능과 높은 전하 이동이 가능함을 보 였다. 이는 Sn의 산화를 막고 표면 개질을 통해 안정한 페로브스카 이트가 합성되었다고 볼 수 있다. MASnI3, CsSnI₃, CsSnBr₃세 디 바이스 모두 개방전압은 0.2~4V 정도이며, 충진율은 30~50% 정도 로 낮다. 이 논문에서는 Sn 기반의 페로브스카이트를 제작하는 공 정을 개선하여 Sn의 산화에 대한 안정성과 표면을 더욱 개선할 수 있음을 보였다. 전기적 성능을 개선한다면 Sn 기반의 무납 페로브 스카이트 태양전지에서 페로브스카이트 표면과 장기적 안정성을 개선할 수 있는 방법의 하나임을 보였다[105].

2018년 Shuzi Hayase 연구팀에서는 Sn과 Ge를 섞은 무납 페로 브스카이트로 4.48%의 광전변환 효율과 대기 중 60분 후 80%의 안정성을 보였다. Pb를 대체할 방법으로 Sn, Ge 등이 있으나, Ge는 이전에 태양전지 성능이 나오지 않았다. Ge 첨가한 페로브스카이 트 거칠기(13.7 nm)가 기존 페로브스카이트(21.4 nm)보다 감소하 였다(Fig. 19). 이는 페로브스카이트 표면에 Ge 원자가 페로브스카 이트 격자보다 더욱 작아 결함과 공간을 채워 안정한 표면을 만들 수 있었다. FA0.75MA_0.25Sn_0.95Ge_0.05I₃구조의 페로브스카이트 태양 전지는 0.42 V의 개방전압과 19.50 mA/cm²의 단락전류밀도와 55%의 충진율, 4.48%의 광전변환 효율을 얻었다. 이 논문에서는 Ge을 사용한 페로브스카이트에서 전기적 특성을 얻을 수 있었고, 페로브스카이트 표면의 안정성이 증가함을 보였다[106].

2016년 Yanfa yan 연구팀에서는 SnF2를 첨가한 FASnI3페로브 스카이트로 6.22%의 광전변환 효율과 질소 분위기에서 30일 동안 안정성을 보였다. SnF₂는 Sn의 산화를 막고, 페로브스카이트 표면을

균일하게 만드는 데 사용되었다. SnF2의 양이 10 mol %일 때 페로 브스카이트 표면 위에 균일하며 입자의 크기가 성장함을 보였고, 그 이상일 때는 SnF2입자가 표면을 덮어버리는 현상을 보였다 (Fig. 20). SnF₂ 10 mol%가 첨가된 페로브스카이트 태양전지는 0.457V의 개방전압과 22.07 mA/cm²의 단락전류밀도, 60%의 충진 율을 가졌다. 이 논문에서는 SnF₂가 Sn 기반의 페로브스카이트에서 Sn의 산화를 막고 표면을 균일하게 만드는 역할을 함에 따라 전기 적 성능과 안정성이 증가하는 것을 볼 수 있다[107].

2019년 Nitin P. Padture 연구팀에서는 납을 사용하지 않는 CsSn_0.5Ge_0.5I₃페로브스카이트 구조로 7.11%의 광전변환 효율과 질소 분위기에서 500시간 후 90%로 유지하였다. Sn은 쉽게 산화되는 특성이 있어 Ge을 첨가하여 높은 안정성과 공기 중에서도 내성을 가지게 사용하였다. CsSnGeI3구조의 페로브스카이트 태양전지의 전기적 성능은 개방전압이 0.63 V, 단락전류밀도가 18.61 mA/cm², 충진율이 60%로 납 기반의 페로브스카이트에 비해 개방전압(1.0 V) 낮은 것을 확인하였다. AFM과 PL mapping 데이터를 통해 표면은 일정하며 고르게 깔린 것을 확인하였다. XRD 데이터를 통해 24, 48, 72시간이 지남에 따라 페로브스카이트 분해가 되는지에 대한 피크를 살펴본 결과 Ge을 첨가한 페로브스카이트는 시간이 지나도 페로브스카이트 구조가 파괴되지 않고 유지되었다(Fig. 21). 이 논 문에서는 납 대신 같은 족의 Sn, Ge을 혼합하여 사용함으로 Sn의 산화물이 만들어지지 않게 표면을 보호하는 역할과 정공수송층, 페 로브스카이트 계면 사이에서의 재결합을 막는 역할을 하였다. 또한 기존의 Ge을 사용한 페로브스카이트의 전기적 성능이 나타나지 않 았으나, Sn과의 결합을 통해 전기적 성능이 나타남을 보였다[108].

2018년 Maria Antonietta Loi 연구팀에서는 3차원 구조의 페로브 스카이트에 2차원 물질을 첨가하여 9%의 광전변환 효율과 2시간 동안 햇빛에 노출했을 때 유지하는 것을 보였다. 친수성 양이온을 유기물질로 대체한 2차원의 페로브스카이트는 수분에 노출되었을 때 태양전지의 안정성을 높일 수 있으므로 사용되었다. SEM 데이 터를 통해 일정 농도 이상의 2차원 구조의 Sn 페로브스카이트가 첨

Fig. 20. SEM image of perovskite active layer surface according to amount of SnF2 added: (a) 0 mol%, (b) 5 mol%, (c) 10 mol%, (d) 15 mol%, (e) 20 mol%, ( f) 30 mol% [107].

Fig. 21. XRD peak change and summary graphs over yime perovskite active layer [108].

Fig. 22. The amount of the two-dimensional structure added to the three-dimensional FASnI₃ perovskite (a) 0, (b) 0.08, (c) 0.12, (d) 0.16 surface SEM image of perovskite active layer, (e) PL peak graph according to the wavelength and (f) TRPL graph [109].

가되었을 때 일정 농도(0.16 M)에서 3차원 페로브스카이트를 덮어 향상된 결정성과 큰 입자 크기를 보이는 이상적인 표면을 보였다.

3차원 구조를 가지는 페로브스카이트 수명(4.32 ns)보다 2차원과 3 차원 구조가 혼합된 페로브스카이트(9.47 ns)로 더 높은 전하 이동 성을 보였다(Fig. 22). 이는 층과 층 사이 직접적인 접촉을 막아 빠 른 전하 이동으로 인해 높은 누설 전류가 발생하여 전기적 성능이 향상되며 안정한 페로브스카이트가 합성됨을 보였다. 3차원 구조의 태양전지보다 2차원/3차원 구조의 혼합된 태양전지가 개방전압도 0.458 V에서 0.525 V로, 단락전류밀도는 22.5 mA/cm²에서 24.1 mA/

cm²로, 충진율은 58%에서 71%로, 광전변환 효율은 6%에서 9%로 증가하였다. 이 논문에서는 페로브스카이트의 3차원 구조만 사용하 였을 때의 불안정성을 2차원 구조와 혼합함으로써 페로브스카이트 가 더욱 안정화될 수 있음을 보여준다[109].

위의 논문들을 보았을 때, 무납 페로브스카이트에 관한 연구들은 납을 사용한 페로브스카이트 연구와 비교하면 전기적 성능, 즉 광 전변환 효율이 훨씬 낮았다. 14족 원소인 Pb 납을 대체하기 위해 14족 원소인 Sn, Ge 같은 물질들을 사용 또는 혼합하여 페로브스카 이트 표면의 안정성과 함께 전기적 성능이 나타나는 것을 보였다.

또한 15족, 16족 원소의 결합을 통해서 페로브스카이트의 전기적 성능이 나타남을 보이는 논문이 있었는데, 이는 14족 원소만이 아 닌 다양한 원소들의 조합을 통해 무납 페로브스카이트 태양전지의 발전을 할 수 있음을 보였다.

3. 결 론

현재의 석탄과 석유와 같은 화석에너지의 수요가 줄지 않는 상황 에서, 친환경에너지 발전이 필요하다. 그중 태양전지는 무한하고

인체에 해가 없는 에너지 자원을 이용한 방법의 하나이다. 실리콘 태양전지의 공정이 복잡하고 가격이 비싼 측면을 대체할 방법으로 페로브스카이트 태양전지가 떠오르고 있다. 페로브스카이트 태양 전지는 가격이 싸고, 공정이 간단한 장점이 있으나, 큰 문제점으로는 장기적 안정성과 납을 사용하여야 한다는 유해성을 가지고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 첫 번째로는 페로브스카이트 물 질의 MA의 열적 불안정성을 Rb, Cs, FA 등과 같은 다양한 양이온을 혼합 및 대체를 통해 페로브스카이트 표면의 입자 크기를 증가하여 더 넓은 면적으로 전하이동을 하게 만들어, 히스테리시스를 극복하고 전기적 성능과 안정성이 향상했다. Na, K 과 같은 격자에 맞는 이온 또는 J71, ADA, SA-2 등과 같은 전기적 성능이 뛰어난 고분자를 첨가하여 전하 이동을 원활하게 하는 네트워크 형성 및 표면을 보 호하는 역할까지 할 수 있었다. 페로브스카이트 광활성층 표면 패 시베이션을 통해 물 분자 침투를 막아 과산화물 형성되지 않아 수 분 안정성, 광 안전성을 향상시킬 수 있었다. 다시 말해, 페로브스 카이트 3차원 구조에서 격자 안정성과 입자의 크기가 전하의 이동 에 영향을 주며, 표면 패시베이션을 통해 태양전지의 안정성에 영 향을 끼칠 수 있다는 것을 알 수 있다.

두 번째로는 페로브스카이트 물질에서 납을 사용하지 않는 것이다.

이는 납의 유해성을 보완할 수 있다는 장점이 있으나, 아직 납을 사 용한 페로브스카이트에 비해 낮은 효율과 낮은 개방전압을 보였다.

하지만 납과 같은 족의 Sn, Ge의 사용, 혼합을 통해 Sn의 산화를 막고, Ge의 전기적 성능이 나타남을 보였다. 더 많은 연구를 통해 전기적 성능이 개선될 수 있음을 보였다. 또 15족, 16족 원소의 결 합을 통해 전기적 성능이 나타나는 논문을 통해서 다양한 원소들의 조합을 통해서도 무납 페로브스카이트 태양전지의 발전을 할 수 있 음을 보였다.

Table 1. Perovskite Solar Cell Issue Comparison

Issue Solar cell structure Efficiency (%)

Perovskite active

layer structure Stability performance

Stability improve ment

FTO/SnO_x/perovskite/spiro-OMeTAD/Au 20.3 RbMAFAPbI₃ [87]

FTO/TiO₂/perovskite/spiro-OMeTAD/Au 20.8 CsMAFAPbBr_xI_3-x Maintain 95% for 18 weeks (Air) [88]

FTO/SnO₂/PCBM:PMMA/perovskite/PMMA/HTM/Au 20.3 RbCsFAPbI₃ Maintain 80% for 1000 hours (N₂) [89]

FTO/TiO₂/perovskite/Ag 10.4 PbSe:MAPbI₃ Maintain 70% for 700 hours (Air) [90]

FTO/TiO₂/perovskite/spiro-OMeTAD/Au 18.6 Na addition [91]

FTO/TiO₂/perovskite/spiro-OMeTAD/Au 18.2 K addition [85]

FTO/TiO₂/perovskite/spiro-OMeTAD/Au 19.2 J71 addition Maintain 90% for 2 weeks (Air) [92]

FTO/compact-TiO₂/mesoporous-TiO₂/perovskite/spiro-OMeTAD/Au 21.3 ADA addition Maintain 98% for 3 months (Air) [93]

ITO/SnO/perovskite/PCBM/LiF/Ag 20.3 SA-2 addition Maintain 100% for 60 days (Air) [94]

ITO/PEDOT:PSS/perovskite/PCBM/Al 10.0 BAMAPbI₃ Maintain 100% for 30 days (Air) [95]

FTO/compact TiO₂/C60/perovskite/Polymer thin film/Sprio-OMeTAD/Au 16.5 MAPbI3 Maintain 95% for 15 days (Air) [96]

FTO/compact TiO₂/mesoporous TiO₂/perovskite/Spiro-OMeTAD/Au/Teflon 11.8 MAPbI3 Maintain 95% for 30 days (Air) [97]

FTO/NiO/perovskite/ZnO/Au 7.0 CsPbI_xBr_3-x [98]

FTO/NiO/perovskite/fullerene/Al 20.5 FAMACsPbI₃ Maintain 85% for 800 hours (Air) [99]

FTO/compact-TiO₂/mesoporous-TiO₂/perovskite(iodide salt)/spiro-OMeTAD/Au 16.7 MAPbI3 Maintain 85% for 500 hours (Air) [100]

ITO/compact-TiO₂/mesoporous-TiO₂/perovskite/PTAA/Au 20.9 RbPbI₃ Maintain 74% for 374 hours (Air) [101]

Lead-free

FTO/compact-TiO₂/mesoporous-TiO₂/perovskite/spiro-OMeTAD/Au 6.0 MASnI₃ [103]

FTO/compact-TiO₂/mesoporous-TiO₂/perovskite/PCPDTBT/Au 3.1 MASbSI₂ Maintain 90% for 15 days (Air) [104]

FTO/compact-TiO₂/mesoporous-TiO₂/perovskite/PTAA/Au 3.0 MASnI₃ [105]

ITO/PEDOT:PSS/perovskite/C₆₀+BCP/Ag 4.5 FAMASnGeI₃ Maintain 100% for 72 hours (Air) [106]

ITO/PEDOT:PSS/perovskite/C₆₀+BCP/Ag 6.2 FASnI₃ Maintain 85% for 30 days (N₂) [107]

FTO/PCBM/perovskite/native oxide/spiro-OMeTAD/Au 7.1 CsSnGeI₃ Maintain 92% for 500 hours (N₂) [108]

ITO/PEDOT:PSS/perovskite/C₆₀+BCP/Al 9.0 FASnI₃ Maintain 75% for 2 hours (Air) [109]

아직도 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해서는 대면적 공정기술, 가격 경쟁성을 더 높이는 등 다양한 기술들이 많이 필요 하다. 이러한 문제점들을 개선하였을 때, 실리콘 태양전지 대체뿐 만 아니라 화석에너지를 대체할 수 있는 수단으로 적용될 것이다.

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