Perovskite Solar Cells

고효율, 안정성 및 친환경적인 특성을 두루 갖춘 페로브스카이트 태양전지 소자 제작을 위하여 귀금속 (noble metal) 나노구조체의 도입, 
페로브스카이트 소재의 구조적 물성 제어, 기존 납 기반 페로브스카이트 물질의 대체재로 적합한 신개념 소재 개발 등을 수행하고 있습니다. 
아울러 신규 활성층과 효과적으로 연동하여 소자 성능을 극대화 시킬 수 있는 완충층 개발과 소자 구성의 최적화 연구도 전개하고 있습니다.

자기조립단분자막을 적용한 ZnO의 표면 개질을 통한 태양전지 성능 및 안정성 향상

 본 연구에서는 자기조립단분자막을 적용한 ZnO의 표면 개질을 통해 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 전략을 개발하였습니다.
 먼저, 자기조립단분자막의 메톡시 작용기는 페로브스카이트의 메틸암모늄 양이온과 수소결합을 형성하여, 계면에서의 쌍극자를 유도하며, 이는 소자 내의 built-in potential 을 증가시켜 전자의 이동을 극도화 하였습니다. 
 더 나아가, 자기조립단분자막 표면의 소수성 성질은 페로브스카이트 핵의 임계반지름을 증가시켜, 페로브스카이트의 grain size와 결정성을 향상시키고, 결과적으로 페로브스카이트층에서의 전하 재결합을 감소시켰습니다.
 그 결과, 광전변환효율이 1.44%인 비교 대상 소자에 비해, 3, 4, 5-트리메톡시벤조산을 통해 표면을 개질한 ZnO 기반의 소자는 13.75%의 향상된 광전변환효율을 보였습니다. 
 또한, 계면에서의 양성자 전달 반응 억제로 인해 수분 안정성과 대기 환경 (28 ◦C, 상대습도 45%)에서의 장기 안정성이 현저하게 개선되었습니다.
 본 연구에서 도출한, 안정성이 향상된 소자 제작 프로토콜은 태양전지 분야뿐만 아니라 광 검출기, 레이저, LED 등 다양한 광전자 소자 영역에 응용될 수 있을 것으로 사료됩니다.

페로브스카이트 태양전지의 정공 수송층 개발을 통한 효율 및 수분 안정성 향상 연구

 페로브스카이트 태양전지에서 가장 흔히 쓰이는 정공 수송층 물질인 Spiro-OMeTAD는 값이 비싸며 에너지 밴드 구조 상 정공 전달이 용이하지 않은 관계로 해당 소재를 대체하는 물질의 개발이 필요합니다. 
 이에 본 연구진은 공액 고분자 TFB와 p-type 도펀트 F4-TCNQ를 도입하고 에너지 밴드를 디자인하여 낮은 가격에 정공 추출이 용이한 페로브스카이트 태양전지를 개발하였습니다. 
 이는 결과적으로 17.46%의 전력 변환 효율과 22.36 mA/cm^2 의 단락 전류 밀도를 보였으며, 비교군 소자(16.62%, 22.07 mA/cm^2) 보다 우수한 성능을 확인하였습니다.
 추가로, 개발된 페로브스카이트 태양전지를 습도 45%의 공기 중 10일간 노출시켰을 때 80%의 효율 안정성을 보였으며, 기존의 spiro-OMeTAD (LiTFSI + TBP)가 도입된 페로브스카이트 태양전지보다 (30% 유지) 월등히 개선된 안정성임을 확인할 수 있었습니다.
 본 연구는 현재 페로브스카이트 태양전지가 가지고 있는 수분 불안정성 문제를 개선하고 고효율을 가능하게 한 이론적인 모델을 제시하였으며, 이는 향후 LED, 광 검출기 등 다양한 페로브스카이트 전자소자에 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

고효율 실내용 저조도 페로브스카이트 태양전지 제작

 본 연구는 페로브스카이트에 브롬 도핑을 최적화하여 우수한 광활성을 
갖는 결정을 유도하고 저조도에서도 엑시톤이 추출되고 광전지가 효과적으로 작동되도록 설계되었습니다. 
 이는 엑시톤의 재결합 손실이 발생하는 트랩을 감소시켜 비 방사성 재조합 센터를 억제하여 결과적으로 장치 성능의 향상을 가져왔습니다. 
희미한 LED 실내조명 (1000lx) 하에서 측정된 광기전력 장치는 34.5 ± 1.2 %의 평균 전력 변환 효율을 나타내며, 이는 비교군 (29.2 ± 1.6 %)에 비해 18% 우수한 성능을 보였습니다. 
 또한, 최적화된 브롬 도핑으로 인해 비교적 불안정한 정방 상(Tetragonal phase) 페로브스카이트에서 유사 입방체 상(pseudo-cubic)의 변형을 통해 안정성 또한 개선되었습니다. 
 본 연구 결과는 새로운 유형의 실내 전자 장치의 개발을 개척할 수 있는 차세대 전력원으로서 실내 구동 페로브스카이트 광전지의 잠재력을 시사하였습니다.

소자 안정성이 향상된 준-2차원 페로브스카이트 태양전지 연구

금속 할로겐화물 페로브스카이트를 이용하여 박막 광전지 성능을 크게 향상시켰지만, 소재의 불안전성은 여전히 한계로 남아있었습니다. 
 본 연구에서는 밀도 기능 이론(density functional theory)을 사용하여 페로브스카이트 층 사이 페닐에틸암모늄(phenylethylammonium)을 삽입하면 반데르발스 상호작용(Van der Waals interactions)이 유도되고 증가된 형성에너지를 유발하며 결과적으로 재료 안전성이 향상된다는 것을 발견했습니다. 
 본 결과를 기반으로, 기존 3차원 페로브스카이트 필름의 고성능을 유지하면서 향상된 안전성을 가지는 축소된 차원 (준-2D) 페로브스카이트 필름을 개발했습니다. 
 그리고 이 소재를 활성층으로서 페로브스카이트 태양전지를 제작하였고, 최초로 히스테리시스(hysteresis)가 없는 태양광 발전 변환을 달성하였습니다. 
 나아가, 15.3%의 광전 변환 효율과 크게 향상된 성능 수명을 관찰하였습니다. 본 연구는 유기물 리간드를 도입한 quasi-2D 구조체의 신개념 페로브스카이트를 태양전지에 응용하고 소자의 안정성 향상을 이론 계산과 실험적인 방법을 통해서 증명하였다는 점에서 크게 의미가 있습니다.