▲ 이보람 교수 연구팀은 범용성 페로브스카이트 나노결정을 개발하여 발광소자 및 태양전지에 동시에 적용함으로써 소자의 고효율 고안정성 결과를 보고하였다.

할라이드 기반 페로브스카이트 나노결정(perovskite nano-crystal, PNC) 소재는 우수한 광 흡광도(photon absorption coefficient), 높은 광발광 양자 수율(photoluminescence quantum yield, PLQY), 고색순도(high color purity) 등 우수한 광전자 특성과 용액공정(solution processing)이 가능하다는 장점들 때문에 태양전지(solar cells)와 발광소자(light-emitting diodes, LEDs)를 비롯한 다양한 광전자소자 분야에서 차세대 광활성 반도체 소재로 많은 주목을 받고 있다. 광전자소자의 소자 성능은 우수한 광활성 소재의 특성뿐 아니라 소자 내에서의 효과적인 전하 수송도 매우 중요하다.

일반적인 PNC (Neat-PNC)는 용액 분산성을 위해 올레산(oleic acid), 올레일아민(oleylamine)과 같은 긴 탄소 사슬의 리간드로 둘러싸여 있으며 이는 절연체로 작용하여 전하 이동을 막는다. 따라서 PNC를 광활성 소재로 사용하기 위해서는 긴 탄소사슬 리간드를 짧은 사슬의 리간드로 교환시켜 주어야 한다. 현재까지 태양전지 분야에서는 PNC는 Layer-by-Layer (LBL) 공정을 통해 고체상에서 리간드 교환이 이루어져 왔다. 해당 방식은 한 층씩 코팅 뒤 리간드 교환을 하고 이를 여러 번 반복하여 원하는 두께만큼 쌓는 방식으로 복잡한 공정을 요구하며 이 과정에서 성능을 저하시키는 표면결함이 발생한다. 또한, 표면결함과 소수성 리간드 제거는 공기 중 수분과 산소가 페로브스카이트로 침투하여 안정성 감소를 유발한다. 이러한 문제점들은 PNC 광전자소자의 상용화에 걸림돌이 되고 있다.

이에 부경대 이보람 교수 연구팀과 한양대 최효성 교수 연구팀은 두 개의 방향족 고리를 갖는 암모늄 할라이드 염 리간드인 다이페닐프로필암모늄 아이오다이드(diphenylpropylammonium iodide, DPAI)를 사용하여 용액상 리간드 교환(solution phase ligand exchage, SPLE)을 통해 PNC 잉크(SPLE-PNC)를 개발하였다.

본 연구팀은 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform, DFT) 계산을 통해 하나의 방향족 고리 리간드보다 두 개의 방향족 고리를 갖는 DPAI 리간드가 PNC와 더 강한 결합 에너지를 갖는 것을 이론적으로 확인하였으며 DPAI로 교환된 PNC만이 톨루엔 및 클로로폼과 같은 약한 극성을 갖는 유기 용매에 효과적으로 분산되어 필터링되는 것을 확인하였다.

PLQY 측정, 시간 분해 형광(time-resolved photoluminescence, TRPL) 분석, 순간 흡수 분광법(transient absorption spectroscopy, TAS)을 통해 DPAI가 페로브스카이트 표면의 결함(defects)을 효과적으로 억제함으로써 비방사성 재결합(non-radiative recombination)을 감소시켜 84.71%의 높은 PLQY을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Neat-PNC와 비교하여 37% 증가한 수치이다. 또한, SPLE-PNC는 LBL 공정으로 제작된 PNC (LBL-PNC)와 Neat-PNC 박막에 비해 우수한 소재 안정성을 갖는 것을 확인하였다.

본 연구팀은 개발한 SPLE-PNC를 사용하여 발광소자와 태양전지에 적용하여 17.00%의 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE)을 가지는 적색(685 nm) 발광소자와 14.92%의 광전력 변환효율(power conversion efficiency, PCE)을 갖는 태양전지를 개발하는데 성공하였다. 특히 SPLE-PNC 태양전지는 101일 동안 73%의 초기 효율을 유지하였으며 이는 지금까지 보고된 PNC 기반 태양전지 중 가장 높은 소자 안정성 결과를 보고하였다.

본 연구팀은 SPLE-PNC의 매우 높은 소자 안정성을 제공하는 원인을 분석하고자 분자 동역학 시뮬레이션 수행한 결과, DPAI의 두 방향족 고리가 갖는 입체장애는 회전을 불가능하게 하여 대기 중 수분과 산소가 페로브스카이트 표면까지 침투하는 것을 억제한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 120일 이상 상전이 없이 페로브스카이트 결정구조를 유지하는 것을 X-선 회절 분석을 통해 확인하였다.

이번 연구의 의의는 용액공정을 통해 고품질, 고안정성의 잉크 소재를 개발하여 이를 아주 간편하고 쉬운 공정을 통해 태양전지와 LED에 동시에 구현하였으며, 두 경우 모두 기존 대비 현저한 성능 향상을 도출했다는 점이다. 본 연구는 재료과학 분야 세계적 권위지인 ‘Advanced Materials’ (IF = 32.086)에 ‘A Universal Perovskite Nanocrystal Ink for High-Performance Optoelectronic Devices’ 제목으로 지난 12월 10일에 온라인 게재되었으며, 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구사업(BrainLink 사업, 나노 및 소재기술개발사업, 중견연구, 기초연구실) 등의 지원으로 수행되었다.

해당 기술은 차세대 태양전지, LED, 광검출기 등과 같은 다양한 페로브스카이트 나노결정 광전자소자의 성능 및 안정성을 향상시키고 공정을 간소화하여 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.