연구뉴스
[이윤석 교수 연구팀] ACS Applied Materials & Interfaces (Supplementary Cover로 선정)
Author
임은지
Date
2026-01-29
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306
논문 공동저자: (왼쪽부터) 김성헌, 김태훈, 이지은
[연구 필요성]
- 차세대 고효율 태양전지로 주목받는 페로브스카이트–실리콘 탠덤 (tandem) 태양전지 구현을 위해 광대역(Wide-Bandgap, WBG) 페로브스카이트 박막의 품질 확보가 필수적임
- 광대역 페로브스카이트는 높은 브롬(Br) 함량으로 인해 결정화 과정 중 박막 비균일성, 표면 주름 (wrinkling), 할라이드 상 분리(phase segregation) 문제가 빈번히 발생함
- 이러한 구조적, 화학적 불균일성은 비방사 재결합 증가, 광전류 감소, 장기 안정성 저하로 이어져 소자 성능을 제한함
- 특히 대면적 공정 및 산업적 확장을 고려할 경우, 용매 증발과 결정화 거동에 대한 정량적 이해와 공정 제어 전략이 반드시 요구됨
- 진공 활용 용액 공정 (Vacuum-Assisted Solution Process, VASP)을 광대역 페로브스카이트 박막 형성에 적용하여 공정 변수와 박막 품질 간의 상관관계를 체계적으로 규명하고자 함
- 용매 증발 속도 및 결정핵 형성 메커니즘을 분석하여, 고품질, 고균일 광대역 페로브스카이트 박막 형성을 위한 최적 공정 조건을 도출하고자 함
- 탠덤 태양전지 적용을 위한 대면적 공정 가능성과 소자 성능 향상 전략을 제시하는 것을 목표로 함
- 진공 활용 용액 공정 (VASP)을 이용한 광대역 페로브스카이트 박막 제조 공정 설계
- 주요 공정 변수로서 다음 항목들을 체계적으로 제어 및 분석 (진공 감압 속도(depressurization rate), 진공 유지 시간(vacuum retention time), 페로브스카이트 전구체 농도(molarity))
- 진공 인가 중 챔버 압력 변화에 따른 용매(DMF, NMP) 증발 거동 분석
- LaMer 핵생성 모델과 이론 계산을 통한 결정화 메커니즘 해석
- 다양한 분석 기법을 활용한 박막 구조 및 광학 특성 평가
- 태양전지 소자 제작을 통한 성능 상관관계 분석
- 빠른 진공 감압 조건에서 DMF 용매 증발이 촉진되어 결정립 크기가 증가하고 박막 균일성이 크게 향상됨을 확인
- 진공 유지 시간이 과도하게 길어질 경우, 핵생성 밀도 증가 및 NMP 지속 증발로 인해 표면 주름 구조가 형성되고 할라이드 상 분리가 유도됨을 규명
- 전구체 농도 증가 시 박막 두께와 흡광도는 증가하나, 일정 임계 농도 (1.5 M) 이상에서는 박막 균일성 저하 및 성능 감소 발생
- 최적 공정 조건으로 다음을 도출함 à 진공 유지 시간: 15초 (최종 압력 60 mTorr), 전구체 농도: 1.4 M
- 해당 조건에서 제작된 태양전지는 높은 개방전압과 안정적인 광전류 특성을 동시에 확보함
- 36 cm2 이상의 대면적에서도 균일한 광대역 페로브스카이트 박막 형성 가능성을 실험적으로 입증함
- 광대역 페로브스카이트 박막에서 용매 증발 동역학과 결정화 거동 간의 정량적 상관관계를 체계적으로 규명
- 광대역 페로브스카이트에서 발생하는 박막 주름 형성 (wrinkling)과 할라이드 상 분리의 발생 원인을 공정 관점에서 제시
- 대면적, 고균일 페로브스카이트 박막 제조를 위한 실질적인 공정 설계 가이드라인 제공
- 페로브스카이트–실리콘 탠덤 태양전지 상용화를 가속화할 수 있는 핵심 기반 기술로 활용 가능
- 논문명: Vacuum-Controlled Solvent Evaporation for Morphological Engineering of Wide-Bandgap Perovskite Films
- 게재 학술지: ACS Applied Materials & Interfaces (Supplementary Cover로 선정)
