[로이슈 전여송 기자] 성균관대학교는 성균나노과학기술원 신성식 교수 연구팀이 한국화학연구원, 미국 UC 샌디에이고, 프린스턴대학교와 공동으로 결정 결함을 줄인 페로브스카이트 반도체 박막을 개발했다고 13일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.

이번 연구는 서로 다른 물질을 혼합하면 녹는 온도가 낮아지는 공융(Eutectic) 현상을 활용해 페로브스카이트 박막의 결정 성장 과정을 제어하고, 이를 태양전지와 발광다이오드(LED)에 적용한 것이다.

페로브스카이트는 용액 공정을 통해 박막 형태로 제작할 수 있는 반도체 소재로, 빛을 전기로 변환하는 태양전지와 전기를 빛으로 변환하는 LED 등에 활용된다.

다만 용액을 굳혀 박막을 형성하는 과정에서 미세한 결정들이 맞닿는 경계면과 표면에 결함이 발생할 수 있다. 이러한 결함은 빛에 의해 생성된 전하의 이동을 방해하거나 전하 손실을 유발해 소자의 성능과 수명에 영향을 미친다.

연구팀은 염화메틸암모늄(MACl)과 할로겐화 아연(ZnX₂)을 혼합했을 때 각각의 물질보다 낮은 온도에서 녹는 현상에 착안했다.

박막을 약 100℃로 가열하면 결정 경계면에 존재하는 혼합물이 얇은 액체층으로 변한다. 이 과정에서 원자의 이동 속도가 고체 상태보다 약 1만 배 빨라지면서 작은 결정들이 결합해 크기가 큰 결정으로 성장하도록 유도했다.

또한 결정 성장을 돕는 MACl은 열처리 과정에서 휘발돼 제거되고, 남은 아연은 결정 경계에 분포해 결함을 줄이는 역할을 했다.

연구팀에 따르면 이렇게 제작한 페로브스카이트 박막의 전하 수명은 약 295마이크로초(μs)로 측정됐다. 표면 결함에 따른 전하 손실을 나타내는 표면 재결합 속도는 0.3cm/s를 기록했다.

연구팀은 해당 수치가 기존에 보고된 페로브스카이트 박막의 성능 지표 가운데 가장 낮은 표면 재결합 속도에 해당하며, 실리콘 반도체에서 보고된 수준과 비교할 수 있는 결과라고 설명했다.

개발한 박막을 적용한 태양전지는 광전변환 효율 26.5%를 기록했다. 개방전압은 1.208V로, 연구팀은 동일한 n-i-p 구조의 태양전지 가운데 공인된 최고 수치라고 밝혔다.

같은 소자 구조를 활용해 제작한 LED에서는 외부양자효율 26.1%를 기록했다. 이를 통해 동일한 반도체 소재와 소자 구조를 기반으로 태양전지와 LED 기능을 각각 구현할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 해당 제조 방식이 별도의 고가 특수 장비 없이 적용 가능하며, 대면적 박막에서도 성능을 확인했다고 설명했다. 향후 태양전지 외에 디스플레이와 광센서 등 광전자 소자 분야로 적용 범위를 확대할 수 있을 것으로 보고 있다.

이번 연구에는 신성식 성균관대 교수와 데이비드 페닝(David Fenning) UC 샌디에이고 교수, 데인 디퀼레츠(Dane deQuilettes) 프린스턴대 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

공동 제1저자는 남성식 성균관대 박사, 유정완 한국화학연구원 박사, 코너 돌란(Connor Dolan) UC 샌디에이고 박사다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 개인기초연구사업 및 국가전략기술 소재개발사업 지원을 받아 수행됐다.

공동 제1저자인 남성식 박사는 “표면 재결합 속도를 페로브스카이트 박막 중 가장 낮은 0.3cm/s까지 줄여, 용액 공정으로도 실리콘 수준의 표면 품질을 얻을 수 있음을 보여줬다”고 말했다.

신성식 교수는 이번 연구에서 개발한 결정 성장 방식을 바탕으로 태양전지와 LED뿐 아니라 디스플레이, 광센서 등 다양한 광전자 소자 분야에서의 활용 가능성을 검토할 계획이라고 설명했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr