특 집

22 Polymer Science and Technology Vol. 28, No. 1, February 2017

친환경 페로브스카이트 소재 최신

연구동향Recent Progress and Challenges of Pb-free Perovskite Materials

신종문ㆍ송명관 | Jongmoon ShinㆍMyungkwan Song

Advanced Functional Thin Films Department, Surface Technology Division,Korea Institute of Materials Science (KIMS), 797 Changwondaero, Sungsan-Gu, Changwon, Gyeongnam 51508, Korea

E-mail: smk1017@kims.re.kr

신종문2004 경성대학교 물리학과 (학사)2006 부산대학교 나노과학과 (석사)2012 부산대학교 나노융합기술학과

(박사)2012-2015 메릴랜드 대학교 재료공학과

(Post-Doc.)2016-현재 재료연구소 (Post-Doc.)

송명관2004 동국대학교 화학과 (학사)2006 동국대학교 화학과 (석사)2006-2007 포항산업과학연구원2011 부산대학교 화학소재학과 (박사)2011-2013 재료연구소 (Post-Doc.)2013-현재 재료연구소 선임연구원

1. 서론

태양전지는 청정하면서 반영구적이지만, 에너지를 생산하기 위한 소자의 가격이 비싸다는 큰 단점을 가지고

있다. 따라서, 저렴한 태양전지를 제조하는 것은 매우 중요한 기술적 이슈이며, 이러한 문제를 해결하기 위해 스

위스 EPFL 연구소의 그라첼 교수는 제작단가가 저렴한 염료 감응형 태양전지를 제안하였다. 하지만 초기 11%

의 높은 효율 향상은 정체되었으며, 액체 전해질을 사용하기에 태양전지의 장기 안정성이 떨어지는 단점을 보

였다. 염료 감응형 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서 기존 유기 염료 물질 대신 PbS, Sb2S3 등의 다양한 흡

광계 수가 높은 무기물질을 도입하였지만, 큰 효율 증가를 볼수 없었다. 최근 유기물/무기물이 혼합된 하이브

리드 재료인 페로브스카이트(ABX3) 물질을 광활성층으로 사용하는 새로운 태양전지가 큰 주목을 받고 있다.

CH3NH3PbI3(MAPbI3) 또는 CH(NH2)2PbI3(FAPbI3)와 같은 ABX3 분자식에서 A 사이트는 무기 및 유기 양이

온, B 사이트는 금속양이온, X 사이트는 할로겐 음이온으로 이루어진 유무기 하이브리드 구조의 페로브스카이

트는 격자구조 및 광전기적 특성으로 태양전지의 광활성층으로 사용시 높은 광전 효율을 보이고 있다. 최근 페

로브스카이트 태양전지의 효율은 20%를 돌파하여 실리콘 박막 태양전지 수준에 이르렀다.1 이러한 페로브스카

이트 태양전지의 등장 및 발전은 기존 유기태양전지 및 염료감응형태양전지의 기술적 한계를 극복할 수 있는

새로운 패러다임을 제시하였다. 하지만 납(Pb) 기반의 페로브스카이트 태양전지는 친환경적이지 못하며 인체

내에 중독성이 있고, 특히 RoHS 항목에 포함되기 때문에 납을 대체하는 연구가 필요하다. 본 글에서는 납 기반

이 아닌 주석, 비스무스, 안티모니 등의 소재 소개 및 기술 동향에 대해 살펴보고자 한다.

2. 친환경 페로브스카이트 태양전지 소재

2.1 Sn(주석) 기반의 태양전지

미국의 노스웨스턴 대학교의 카나지디스 교수팀은 2014년 밴드갭 1.3 eV을 가지는 Sn 기반의 CH3NH3SnI3

(MASnI3) 페로브스카이트를 광활성층으로 사용하여 친환경 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과 약

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그림 1. CH3NH3SnI3 태양전지의 단면(좌)과 Br 이온도핑에 따른 태양전지(우).2

그림 2. CH3NH3SnI3 태양전지와 CH3NH3PbI3 태양전지 재현성 실험비교.3

그림 3. 피라진처리 전후 태양전지 비교.4

그림 4. Inverted FASnI3 태양전지 단면도와 밴드 다이어그램.5

그림 5. 비스무스 계열의 흡광도 및 에너지 밴드 다이어그램.6

5.73%의 효율을 보고 하였다. 또한 Br 이온의 도핑양에 따라

광학적 특성이 달라졌으며, Br이 2개 치환되어진 CH3NH3SnIBr2

에서의 태양전지 효율이 가장 높다는 것을 보고하였다.2

하지만 이러한 태양전지의 수명은 24 시간 이내에 초기 효

율대비 64% 감소하였다. 이것은 Sn(II)에서 Sn(IV) 상태로

빠르게 산화되어서 페로브스카이트의 격자구조를 변화시기

때문이다.

영국의 옥스퍼드 대학교의 스네이스 교수팀은 밴드갭

1.23 eV를 가지는 CH3NH3SnI3 태양전지를 제작하여 약 6%

대의 효율을 보고 하였다. 하지만 Sn(II)의 빠른 산화로 인한

태양전지 수명 및 재현성도 많이 떨어진다는 것을 보고 하였

다. Sn은 Pb에 비해 낮은 이동도 및 전하 확산 길이도 짧기

때문에 대체적으로 Pb 기반의 태양전지보다 효율이 낮다는

것을 알게 되었다.3

UNIST 석상일 교수팀과 한국화학연구원의 서장원 박사

팀은 2016년 FASnI3의 고품질의 페로브스카이트 박막을 얻

기 위해 피라진과 SnF2를 첨가하여 효율 뿐만 아니라, 수명

도 향상시킨다는 것을 보고하였다.4

그리고 미국의 톨레도 대학교의 얀판 얀 교수팀은 SnF2 의

농도를 조절하여 inverted 페로브스카이트 태양전지를 제작

하여 약 6.22% 효율을 보고하였다.5

최근 Sn(주석) 기반의 연구는 대부분 FASnI3 페로브스카

이트 소재를 중심으로 연구되고 있다.

2.2 Bi(비스무스) 기반의 태양전지

Sn 기반의 페로브스카이트 태양전지는 Sn의 빠른 산화로

인한 구조 및 특성들의 변화로 태양전지 공정 혹은 제작이

상당히 어렵다는 단점이 있다. 이러한 문제점을 가지고 있는

Sn을 대체하기 위해서 최근에는 비스무스 계열의 페로브스

카이트 소재가 많은 관심을 받고 있다. 현재 비스무스 계열의

연구는 2015년부터 활발히 진행되고 있으며 태양전지 효율

은 대략 1% 내외이다.

비스무스 계열의 페로브스카이트 태양전지는 2015년 웁

살라대학교 요한슨 교수팀에 의해서 처음으로 보고 되어졌

다. Cs3Bi2I9, MA3Bi2I9 그리고 MA3Bi2I9Clx 소재를 합성하였

고, 전기적 광학적 특성들을 분석하였다. Cs3Bi2I9을 기반으

로 하는 태양전지가 약 1.09%의 효율을 보였다(전류밀도

2.15 mA/cm2, 개방전압 0.85 V, FF 60%). 6

토인대학교의 미야사카 교수팀은 2016년 전자수송층인

TiO2의 형태에 따라서 MA3Bi2I9 태양전지의 효율을 비교하

였다. 아나타제상의 메조포러스한 TiO2 구조에서 대략 0.26%

의 효율을 보였다(전류밀도 0.83 mA/cm2, 개방전압 0.56 V,

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그림 6. 다양한 구조를 지니는 TiO2에 따른 태양전지 효율 및 구조.7

그림 7. TiO2 농도에 따른 디바이스 구조 및 I-V spectrum.8

그림 8. CsBi3I10 필름과 Cs3Bi2I9 필름 비교 및 스펙트럼.9

그림 9. (CH3NH3)3Sb2I9 태양전지.10

그림 10. Rb 및 Cs 이치환된 Cs3Sb2I9 및 Rb3Sb2I9 구조.11

FF 48%). 하지만 MA3Bi2I9 필름을 제조하여 10주 이상 대기

중에 보관하더라도 특성은 변하지 않고 안정하다는 것을 장

점으로 보고하였다.7

제지앙 대학교의 첸 교수팀은 2016년 ITO 전극에 다양한

농도 및 서로 다른 TiO2에 따라서 MA3Bi2I9 태양전지를 제작

한 결과 0.45M 농도의 메조포러스한 TiO2 구조에서 대략

0.42% 효율을 보고하였다(전류밀도 0.91 mA/cm2, 개방전

압 0.66 V, FF 63.63%).8

비스무스 기반의 페로브스카이트 소재의 가장 큰 단점은

밴드갭이 2 ~ 2.2 eV를 가지기에 태양전지 측면에서 많은 빛

을 흡수하기에 용이하지 않다는 것이다. 하지만 최근에 웁살

라대학교의 요한슨 교수팀은 A 사이트인 CsI와 B와 X 사이

트가 될수 있는 BiI3의 몰비를 1:3으로 할 경우 새로운 구조의

CsBi3I10 페로브스카이트 소재를 합성하였고, 대략 밴드갭은

1.77 eV였다. 이러한 소재를 사용하여 태양전지를 제작한 결

과 대략 0.4%의 효율을 보였다(전류밀도 3.40 mA/cm2, 개

방전압 0.31 V, FF 38%).9

2.3 Sb(안티모니) 기반의 태양전지

2016년부터 비스무스 대신 안티모니를 연구를 하는 그룹

들이 있다. 독일의 뒤스부르크 에센 대학교의 키카츠 교수팀

은 밴드갭 2.14 eV를 가지는 (CH3NH3)3Sb2I9 필름을 만들었

고, 그들의 광학적 분석을 한 결과들을 보고하였다. 그리고

inverted 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과 대략

0.46%의 효율을 나타내었다(전류밀도 1.0 mA/cm2, 개방전

압 0.88 V, FF 52%).10

싱가포르의 난양 공대 매튜 교수팀은 일반적인 이온 반지

름이 큰 Cs(188 pm) 대신 Rb(172 pm)을 사용하여 Layer 형

태를 가지는 팔면체 구조의 Rb이 치환된 페로브스카이트 소

재를 개발하였다. 그리고 이러한 소재를 이용하여 태양전지

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를 제작한 결과 대략 0.66% 효율을 보고하였다(전류밀도

2.11 mA/cm2, 개방전압 0.55 V, FF 56.97%).11

3. 결과 및 토론

앞서 살펴본 바와 같이 Pb를 대체하는 친환경 페로브스카

이트 태양전지는 Sn, Bi 및 Sb 등의 물질을 중심으로 연구되

고 있다. 현재 Pb 기반의 페로브스카이트 태양전지보다는 효

율이 낮게 보고되고 있지만, 향후 고효율의 새로운 소재 및

구조 개발 연구가 진행될 것으로 기대된다. 페로브스카이트

물질은 여러 조성을 통해 새로운 결정구조가 형성될 수 있으

며, 밴드갭을 자유롭게 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 페

로브스카이트 태양전지는 높은 개방 전압을 가지기 때문에

밴드갭이 낮은 실리콘이나 CIGS 등과 같은 상부 셀로 이용

될 경우 25% 이상의 광전변환 효율이 가능할 것이다. 이를

위해 태양전지 설계 및 페로브스카이트 물질 설계, 다양한 중

간층 물질 연구가 필요할 것으로 보인다.

4. 결론

페로브스카이트 태양전지의 등장과 함께 급격한 효율 증

가를 보이고 있으며 현재 우리나라가 약 22.1%의 세계 최고

인증 효율을 보여주고 있다.

하지만 유독성 물질인 Pb을 함유하고 있어서 시급히 Pb

을 대체할 수 있는 소재 개발과 새로운 태양전지 구조 등 다

양한 개념으로 연구개발을 접근해야 할 것이다. 현재 Sn, Bi,

Sb 친환경 소재를 사용하여 태양전지를 제작하고 있지만, 효

율이 상당히 떨어지는 편이다. 이러한 소재의 원천적인 특성

들을 먼저 파악한후 다양한 접근방법으로 고효율의 친환경

페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있을 것이다. 향후 친

환경 페로브스카이트 태양전지 발전기술들에 대한 투자 가

치가 충분하기에 여러 전문가들의 연구개발로 충분히 실용

화가 가능할 것으로 기대해본다.

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