친환경 페로브스카이트 소재(Environmentally Benign Perovskite Materials)란 인체독성이 있는 납(원소기호 Pb)을 포함하지 않는 페로브스카이트 또는 유사 페로브스카이트 결정구조를 갖는 광전(photoelectric) 및 전자소재를 통칭한다.

페로브스카이트 소재란 AMX3의 화합물 조성(A, M은 양이온, X는 할로겐을 포함하는 음이온을 의미함.)을 가져 페로브스카이트형 결정구조를 갖는 금속 할라이드 소재를 말하며, 차세대 고효율 태양전지 개발에 유망한 소재로 각광을 받고 있다. 현재 전 세계적으로 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트 소재는 원소의 조성 중 M이 인체독성을 가지는 Pb(납)으로 구성된 소재이다.

유사 페로브스카이트 소재는 3차원 페로브스카이트 결정구조의 확장 구조를 포함하며, 저차원 페로브스카이트 결정 구조와 M이 Pb대신 3가 양이온으로 구성된 소재를 포함하며, 광전 소재란 빛을 흡수하여 전기를 생성하거나 전기를 주어 빛을 생성할 수 있는 소재를 일컫는다.

한국연구재단 기초연구본부는 친환경 페로브스카이트 소재기술에 대한 연구동향 브리프를 발간했다(NRF R&D BRIEF 2021-18호/공학단)

 

■ 왜 주목받고 있나? 최근의 연구는?

ㅇ 친환경 페로브스카이트 소재는 향후 IoT 센서용 전원, 실내 조명/차량 선루프를 이용한 발전 등 인간친화적인 분산 독립형 전력생산을 위한 고효율 태양전지 및 색재현율이 우수한 차세대 페로브스카이트 발광디스플레이(LEDs), 고성능의 박막형 페로브스카이트 트랜지스터/메모리 소자 등의 분야에 광범위하게 적용될 것으로 기대되고 있음.

ㅇ Pb계 페로브스카이트 태양전지의 효율이 비약적으로 발전함에 따라, 기존 실리콘 태양전지와 병행 및 일부 대체 가능한 페로브스카이트 태양전지가 개발되고 있으며, 인간친화적인 분산 독립형 발전과 차세대 발광디스플레이, 박막 트랜지스터/메모리 분야로의 적용을 위해 새로운 친환경 페로브스카이트 소재 설계, 합성 및 광전소자 기술 개발, 이들의 새로운 응용분야 개척에 대한 연구가 전 세계적으로 폭발적으로 진행되고 있음.

 

■ 최근 국내․외 연구 동향은?

ㅇ 미국: 자연 산화막 패시베이션 형성을 통한 높은 광안정성을 갖는 친환경 무기 페로브스카이트 태양전지 구현(Nature Communications, 2019)

▪ 미국 브라운대 연구진에서 CsSn0.5Ge0.5I3 친환경 무기 페로브스카이트 분말체를 진공 증착을 이용하여 합성 후, 자연 산화막 층을 형성하여 내구성을 향상시키는 기술을 개발
- 친환경 특성의 무기 페로브스카이트 CsSn0.5Ge0.5I3 파우더를 용융 결정화법을 이용하여 합성
- 공기 중 산화를 통해 페로브스카이트 박막 표면에 소량의 Sn이 포함된 GeO2 패시베이션막을 형성시켜 500h 동안 1 sun 조건의 광 조사 시 92 %의 초기 효율을 유지하는 태양전지 개발
▪ 과학저널 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 논문 게재

ㅇ 중국, 일본: 친환경 유, 무기 페로브스카이트 결정의 표면제어형 배향성장 기술을 통한 고
효율, 고내구성 태양전지 구현(Joule, 2020)

▪ 중국 상해 교통대학 및 일본 NIMS 연구진에서 FOEI(pentafluorophen-oxyethylammonium iodide) 첨가제의 도입을 통해 우수한 배향특성의 FASnI3 결정을 성장시켜 효율 및 내구성을 향상시키는 기술을 개발
- FOEI 첨가제 도입을 통해 페로브스카이트 용액의 표면 에너지를 낮추고, 이를 통해 표면 이 매끄럽고 배향이 잘 된 FASnI3 친환경 페로브스카이트 태양전지(10.16 %의 광전변환효율) 구현
▪ 과학저널 ‘줄(Joule)’에 논문 게재

ㅇ 일본: AMX3 친환경 유, 무기 페로브스카이트에서 A 사이트 양이온의 제어기술을 이용한
고효율 태양전지 구현(Nano Energy, 2020)

▪ 일본 규슈 공업대학 연구진에서 A 사이트 양이온 엔지니어링을 통해 페로브스카이트 결정 격자에 가해지는 변형력을 감소시키고, 이를 통해 고효율 친환경 페로브스카이트 태양전지 제작 기술 개발
- FASnI3 친환경 페로브스카이트에서 A 사이트 양이온 혼합을 위해 EAI(ethylammonium iodide) 와 EDAI2(ethylenediammonium diiodide)를 도입하고, GeI2 도핑을 통해 결정 격자가 안정화된 페로브스카이트 소재 합성
- 에너지 밴드 레벨 매 칭, 및 결함 제어된 친환경 페로브스카이트 막 형성을 통해 13.24 %의 광전변환효율 달성
▪ 과학저널 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 논문 게재

ㅇ 한국: 금속 칼코할라이드 신규 소재개발을 통한 친환경 유사 페로브스카이트 태양전지로의 적용(Advanced Science, 2021)

▪ 한국 울산과학기술원(UNIST) 석○○ 교수 그룹에서 금속 칼코할라이드인 SbSeI 친환경 유사 페로브스카이트 소재를 신규로 합성하여, 고내구성 태양전지 제작 기술 개발
- Single source precursor를 이용하여, Sb2Se3 금속 칼코겐을 형성한 후, SbI3 와 반응하여 SbSeI 금속 칼코할라이드 친환경 유사 페로브스카이트 소재 합성
- 1 sun 연속 조사 하에서 2,321분 후 초기 효율의 90 %를 유지하는 고내구성 태양전지 구현
▪ 과학저널 ‘첨단과학(Advanced Science)’에 논문 게재

ㅇ 한국: 비납계 페로브스카이트의 층상구조 활용 저항 스위칭 메모리 소자의 개발(Advanced Functional Materials, 2020)

▪ 한국 성균관대 박○○ 교수 그룹에서 층상구조의 비납계 (C6H5CH2NH3)2CuBr4 페로브스카이트 구조를 이용하여 저전압에서도 높은 ON/OFF 스위칭 특성의 저항스위칭메 모 리 소자 기술 개발
- 간단한 층상적층 구조의 구현을 통해서도 (C6H5CH2NH3)2CuBr4를 이용하여 Sn, Bi, Sb기반 비납계 페로브스카이트 대비 우수한 구동특성(2,000회 이상 구동에서도 108의 ON/OFF ratio를 달성)의 저항스위칭메 모 리 구현
▪ 과학저널 ‘첨단기능소재(Advanced Functional Materials)’에 논문 게재

ㅇ 한국: 비납계 페로브스카이트 트랜지스터 소자 개발(Advanced Materials, 2020)

▪ 한국 POSTECH 노○○ 교수 그룹에서 2차원 층상구조의 비납계 phenethylammonium tin iodide((PEA)2SnI4)를 이용하여 채널에서의 수평방향 전하 이동이 극대화된 고성능 트랜지스터 소자 기술을 개발
- (PEA)2SnI4의 도입과정에서 과량의 PEA를 사용하여 결정경계면 에서의 자가 패시베이션층의 형성을 유도하고, 이를 통해 박막트랜지스터 구동의 높은 재현성과 안정성을 확보
- p형으로 구현된 페로브스카이트와 n형의 IGZO 트랜지스터를 이용하여 우수한 noise margin 특성을 가지는 complementary inverter 소자를 최초로 구현
▪ 과학저널 ‘첨단소재(Advanced Materials)’에 논문 게재

 

■ 기초연구사업 지원 현황은?

ㅇ 지원과제 현황

ㅇ 성과현황

 

■ 향후 기초연구사업에서 어떤 연구들이 필요한가?