연구뉴스
[이윤석 교수 연구팀] 페로브스카이트 계면 패시베이션 연구, Small 저널 Front Cover 장식
작성자
김민아
작성일
2025-08-05
조회
1054
▲ 제 1저자 정용훈 석박사통합과정 (지도교수 이윤석 )
할라이드 페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양광 발전 기술로 주목받으며 빠른 효율 향상을 이루었지만, 장기 안정성과 재현성 측면에서 여전히 기술적 한계를 지니고 있습니다. 특히, 표면과 계면에 존재하는 결함이 비복사 재결합 (non-radiative recombination)을 유도하여 소자의 전기적 성능과 열화에 결정적인 영향을 미칩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 2D/3D 페로브스카이트 이종접합 구조 기반의 계면 패시베이션 전략이 각광받고 있으며, 그 핵심은 고기능성 유기 리간드의 분자 구조 제어에 있습니다.
[연구내용]
본 연구는 시클로헥실 기반 리간드의 공간적 원자 배열 (cis/trans configuration) 이 2D Ruddlesden–Popper 페로브스카이트 (RPP) 층 형성 및 계면 패시베이션 효과에 미치는 영향을 규명하고자 하였습니다. 이를 위해 두 가지 입체이성질체인 cis- 및 trans-aminocyclohexanol hydrochloride (ACHACl) 를 비교하고, –NH3+ 및 –OH 작용기의 상호작용을 활용하여 페로브스카이트 표면 결함을 효과적으로 억제하고자 하였습니다. 특히, 비대칭적 dipole moment를 지닌 cis-ACHACl 이 우수한 결정성, 에너지 준위 정렬, 정공 추출 선택성을 제공함을 실험적으로 입증하였습니다.
[독창성]
본 연구는 동일한 화학 조성을 갖는 리간드라도 입체이성질체 간의 공간적 원자 배열 차이가 계면 전자구조 및 소자 성능에 중대한 영향을 미칠 수 있음을 실험적으로 규명하였다는 점에서 독창성을 갖습니다. 특히, 방향족 고리 대신 비방향족인 시클로헥실 골격을 도입함으로써, –NH3+ 작용기의 전자 밀도 국소화와 수소 결합 강도 향상을 유도하였고, 계면 안정화 효과를 실현하였습니다. 나아가, –OH 및 –NH3+의 이중 작용기를 활용하여 페로브스카이트 표면 결함을 복합적으로 억제하는 전략을 제시하였으며, 이러한 구조적·전자적 특성 조절을 통해 2D/3D 계면의 결정성, 정렬 방향성, 에너지 준위 정렬을 정밀하게 제어하였습니다.
[연구성과/기대효과]
연구 결과, 비대칭적인 분자 배치를 갖는 cis-ACHACl 리간드를 도입한 경우, 고결정성의 RPP 층이 3D 페로브스카이트 상부에 균일하게 형성되었으며, 선택적인 정공 추출 향상을 통해 소자의 개방전압과 필팩터가 현저히 개선되었습니다. 그 결과, 무처리 대비 5.8% 향상된 23.46%의 광전변환효율 (PCE)을 달성하였고, 150시간 동안 최대전력점 추적 (MPPT) 방식으로 열화 실험에서도 59% 향상된 장기 안정성을 입증하였습니다. 본 연구는 계면 리간드의 입체화학적 설계가 소자 성능에 미치는 영향을 실험적으로 정량 분석하였으며, 이는 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지 개발을 위한 유기 리간드 분자 설계의 방향성을 제시합니다. 본 연구 성과는 이윤석 교수 연구팀의 정용훈 석박사통합과정생이 제1저자 참여한 논문 “Spatial Atomic Arrangement of Cyclohexyl-Based Ligands for Enhanced Interface Passivation in 2D/3D Perovskite Solar Cells”를 통해 국제학술지 Small에 게재되었으며, 표지논문 (Front Cover)으로 선정되었습니다.
▲ (그림) 본 연구의 핵심 내용을 시각적으로 구성한 개요
- a) 본 연구가 선정된 Small 저널의 표지 이미지.
- b) 페로브스카이트 태양전지의 단면 주사전자현미경 (SEM) 이미지.
- c) cis-ACHA 및 trans-ACHA 리간드의 전자정전위 (ESP) 분포와 화학 구조.
- d) qz 방향의 저입사각 광각 X선 산란 (GIWAXS) 패턴을 2θ 로 변환한 결정성 분석 결과.
