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2025년 12월 4일 (목) 00:15 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 혼합 양이온 페로브스카이트 양자점 합성을 기반으로 한 태양 전지의 제작 및 효율 평가

영문 : Fabrication and Efficiency Evaluation of Solar Cells based on Mixed Cation Perovskite Quantum Dots Synthesized

과제 팀명

PQD

지도교수

김민 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20223400** 유*(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 정*환

서울시립대학교 화학공학과 20203400** 최*준

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 본 개발 과제는 합성에 참여하는 A-site cation 조성 변조, P-O 결합을 보유한 리간드 투입을 통해 보다 안정성과 효율이 높은 페로브스카이트를 합성하여 태양전지에 적용하는 것을 목표로 하고 있다.

◇ 본 과제에서는 Cs에 FA(Formamidine)가 혼합된 유무기 페로브스카이트 QD를 합성함으로써 페로브스카이트 자체의 안정성과 이를 적용한 태양전지의 효율을 높이고자 한다.

◇ 이때 P-O 결합을 지닌 리간드를 도입함으로써 페로브스카이트 QD의 표면 안정성을 향상시켜 보다 확실한 안정성을 확보한다.

◇ 최종적으로는 합성한 페로브스카이트 QD를 이용하여 태양전지를 만들고 만들어진 태양전지의 전기적 성능을 점검하고자 한다.

개발 과제의 배경

◇ 페로브스카이트 QD(Perovskite quantum dot)은 뛰어난 광흡수 능력, 조절 가능한 밴드갭, 양자 구속 효과로 인해 광전자 소자 응용 등 많은 연구가 활발히 진행 중에 있다.

◇ 또한 페로브스카이트 QD는 차세대 태양전지 소재로써도 주목을 받고 있으나 수분, 산소 등에 취약한 안정성이 실용화를 제한하는 걸림돌이 되고 있다.

◇ 본 과제에서는 유기/무기 페로브스카이트 QD를 합성하고 동시에 QD 표면 안정성을 향상시킬 리간드를 도입함으로써 높은 효율과 높은 안정성을 모두 확보하고자 한다.

◇ 나아가 다양한 기판에서의 적용 가능성 또한 확보함으로써 상용화를 위한 기반 기술의 토대를 마련할 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 본 과제에서는 Hot-injection 방법으로 합성한 CsPbI3에서 Cs 양이온을 FA 양이온으로 치환하는 방법을 통해 유기/무기 혼합 페로브스카이트 QD를 제작하고 이를 기반으로 하는 고효율 태양전지를 개발하는 것을 목표로 한다.

◇ 페로브스카이트 QD의 A-site cation으로 Cs와 FA를 모두 사용하며, 양이온 치환 방식을 다양하게 변주함으로써 가장 우수한 페로브스카이트 QD 합성 조건을 모색하고자 한다.

◇ 위에서 합성된 페로브스카이트의 QD에 P-O 작용기를 통해 강한 배위결합을 형성할 수 있는 리간드 Triphenylphosphine oxide(TPPO)를 도입하여 기존보다 우수한 안정성을 갖는 페로브스카이트 QD를 달성한다. 합성된 결과물은 UV-Vis spectroscopy, PL spectroscopy 등 다양한 분석을 통해 합성 상태를 확인한다.

◇ 최종적으로는 본 과제에서 달성한 새로운 페로브스카이트 QD로 안정하면서 효율이 높은 태양전지를 개발하고자 한다. 이렇게 제작된 태양전지는 J-V curve 분석으로 성능과 효율을 측정한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ Layer-By-Layer Printed Metal Hybrid (Cs:FA)PbI3 Perovskite Nanocrystal Solar Cells(2023)

slot-die 코팅 공정을 이용해 (Cs:FA)PbI₃ 페로브스카이트 나노결정 태양전지를 제작한 최초의 사례를 제시했다. 위 논문에서 연구팀은 레이어-바이-레이어(layer-by-layer) 방식으로 공기 중에서 소자를 제작하여 대면적 R2R 생산의 가능성을 입증했다. 공정 중 Pb(NO₃)₂ 기반 리간드 교환과 FAI 표면 패시베이션을 통해 나노결정간 결합력과 전하 이동성을 향상시켰으며, 이에 따라 광발광 수명과 필름 균일성이 개선됐다. 결정 구조는 가공 과정에서 face-on에서 edge-on 방향으로 전환되며, 이는 전하 수송에 유리한 배향이다. 제작된 태양전지는 평균 효율 6.39%, 최고 8.29%의 광전변환 효율을 달성했다.

◇ Sequential solid-state multiligand exchange of FAPbI3 quantum dots for more efficient and stable photovoltaic devices(2025)

위 논문에서는 FAPbI₃ 기반 금속 할라이드 페로브스카이트 양자점의 표면 결함과 전하 이동 한계를 개선하기 위해 다중 리간드 교환 공정을 적용한 고효율, 고안정성 태양전지 제조를 설명한다. 저온, 상압 조건의 순차적 정제와 MPA/FAI 혼합 리간드 교환을 통해 긴 절연성 리간드를 제거하고 짧은 공유결합성 리간드로 치환함으로써 결함 밀도가 감소하고 전하 수송 능력이 향상되었다. 이렇게 만들어진 cell은 광전변환효율이 약 28% 향상되고 소자의 히스테리시스가 감소하여 장기 안정성이 크게 개선되었다.

◇ Antisolvent-Assisted In Situ Cation Exchange of Perovskite Quantum Dots for Efficient Solar Cells(2023)

위 논문에서는 Hot-injection 방법으로 합성한 CsPbI3 QD에 antisolvent를 이용해 표면의 Cs 일부를 FA로 치환하는 방법을 제시했다. 이 방법을 통해 A-site cation의 조성을 조절함으로써 QD 표면의 결함을 줄이고, 결정 구조의 안정성을 개선한 결과, 안정성이 향상되었으며 17.29%의 높은 PCE를 달성했다.

• 특허조사 및 특허 전략 분석

◇ Method and apparatus for manufacturing metal halide perovskite quantum dot having enhanced stability, and solar cell comprising the metal halide perovskite quantum dot manufactured thereby(2022)

본 발명은 안정성이 향상된 금속 할라이드 페로브스카이트 양자점의 제조방법, 제조장치 및 이에 의해 제조된 금속 할라이드 페로브스카이트 양자점을 포함하는 태양 전지에 관한 것으로, 본 발명에 따른 금속 할라이드 페로브스카이트 양자점의 제조방법은 기존 Hot-injection 방법에 비해 80℃ 이하의 상대적으로 저온에서 수행되고, 상압에서 수행되므로 진공 공정이 필요하지 않아 고가의 진공 설비가 필요치 않아 경제적이고, 제조 단계가 복잡하지 않으므로 제조가 용이하며, 형성된 금속 할라이드 페로브스카이트 양자점 분산액에 극성용매를 넣어 정제하기 전에 원심분리하여 침전된 미반응물을 제거하는 단계를 수행함으로써, 다른 할로겐 원소에 비하여 안정성이 낮은 요오드 이온을 포함하는 금속 할라이드 페로브스카이트 양자점의 경우에도 안정성을 향상시켜 수율을 향상시킬 수 있으므로, 태양 전지 제조를 위한 안정화된 금속 할라이드 양자점의 대량 생산에 유용하게 적용할 수 있다.

◇ Perovskite surface stabilization method and perovskite photoelectric device using the same(2023)

본 발명은 페로브스카이트 양자점의 리간드 교환 단계에서 발생하는 페로브스카이트 결함으로 인한 박막의 불안정성 및 성능 저하를 방지하는 페로브스카이트 후처리 방법 및 상기 방법을 사용한 고안정성 및 고성능 페로브스카이트 광전소자에 관한 것이다. 핵심은 리간드가 결합된 페로브스카이트 화합물을 기재 위에 적층하고, 이어서 무극성 용매에 용해된 공유결합성 분자를 이용해 후처리함으로써 박막 내 결함 자리에 선택적으로 배위결합시키는 기술이다. 이 과정을 통해 결함을 보완하고 전하 이동 특성을 향상시킬 수 있다. 이 방법으로 제조된 페로브스카이트 박막은 금속 이온 결함이 감소하고 안정성, 광전 특성이 개선된 소자에 활용될 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 유기/무기 혼합 페로브스카이트의 우수성

유기/무기 혼합 페로브스카이트에서 무기물 양이온은 뛰어난 격자 구조를 형성하여 QD 결정의 안정성을 향상시키고, 유기물 양이온은 무기물의 전자적 특성을 유지하면서 격자 구조의 유연성을 증가시키고 QD의 밴드갭을 보다 자유롭게 조절할 수 있게 한다. 따라서 A-site 양이온에 유기물과 무기물을 함께 사용하면 높은 효율과 높은 안정성, 유연성, 폭넓은 적용 가능성을 모두 기대할 수 있다.

◇ 표면 안정성 향상

TPPO의 P-O 결합은 페로보스카이트 QD 표면의 미반응 납 이온 등과 같은 결함 자리에 강하게 결합하고 에너지 준위의 결함 상태를 감소시킴으로써 QD를 화학적으로 안정시키고 효율을 증가시킨다. 이는 A-site의 유기물 양이온이 불러올 수 있는 열적, 광적 안정성 감소를 보완하는 효과를 가져오며 유기물 페로브스카이트와 무기물 페로브스카이트 각각의 장점을 취합할 수 있게 된다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 제조 단가 절감 및 경쟁력 확보

페로브스카이트 소재는 지구에 풍부한 원소를 사용하고 증착에 필요한 에너지가 낮으며 롤투롤(Roll-to-Roll)과 같은 대량 생산 기술과 호환될 수 있다. 또한 페로브스카이트 기반 태양전지는 전구체 용액을 기판 위에 코팅하는 방식으로 제작되기 때문에 기존 실리콘 기반 태양전지에 비해 제조 과정이 간단하고 저온에서 대면적 생산이 가능하다. 이러한 특징은 낮은 생산 비용으로 테라와트 규모의 에너지를 생산할 수 있게 한다.

◇ 고효율 태양전지 기술 적용의 확장

기존 태양전지보다 원가를 절감한 공정은 저비용 대면적 합성 기술로 이어짐으로써 다양한 기판에 페로브스카이트를 적용할 수 있게 하고, 이는 차세대 광전자 소자 및 태양전지 상용화에 필요한 핵심 기반 기술을 제공한다. 더 나아가 합성 공정의 안정성과 재현성을 확보함으로써 소자 성능의 균일성 및 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.

◇ 친환경 기술의 확장

저비용 고효율 태양전지 기술 확산은 신재생 에너지 보급률을 증가시킴으로써 화석 연료의 의존도를 낮추고 친환경 에너지 전환 및 탄소중립 실현에 기여한다. 또한 기존 실리콘 기반 태양전지에서 원가를 절감하고 효율을 향상함으로써 친환경 기술을 다양한 응용 분야로 확장하여 지속가능한 에너지 인프라 구축에 이바지할 수 있다.

기술개발 추진체계

구성원 및 추진체계

◇ 유미: 주제선정, 페로브스카이트 및 태양전지 구조 조사, PQD 합성 및 필름 제작, 데이터 분석

◇ 정재환: 주제선정, 페로브스카이트 QD 합성 방법 조사, PQD 합성 및 필름 제작, 데이터 분석

◇ 최현준: 주제선정, 태양전지 최신 연구 동향 조사, PQD 합성 및 필름 제작, 데이터 분석

설계

설계사양

Materials

Cesium carbonate (Cs2CO3, 99.995%, trace metals basis), 1-octadecene (ODE, technical grade, 90%), oleic acid (OA, 90%, technical grade), oleylamine (OLA, 70%, technical grade), Methyl acetate (MeOAc, 99.5%, anhydrous), hexane(95%, anhydrous), octane(≥99%, anhydrous), ethyl acetate (EtOAc, 99.8%, anhydrous), acetonitrile (ACN, 99.8%, anhydrous), bis-(trifluoromethane)sulfonamide lithium salt (Li-TFSI), 4tert-butylpyridine (tBP, 98%), Spiro-MeOTAD (99%), chlorobenzene (CB, 99.8%, anhydrous) Lead (II) iodide (PbI2, 99.99%, trace metals basis), Acetone (99.5%), 2-propanol (IPA, 99.8%), Formamidinium iodide (FAI, >99.99%).

실험 방법

◇ Synthesis of Cs-oleate Solution

(1) Cs2CO3 0.407 g, ODE 20 mL, OA 1.25 mL를 100 mL 삼구 플라스크에 투입 (2) 120 ℃에서 stirring 해주며 1시간 degassing(탈기) (3) N2 분위기 하에 보관하고 사용하기 전에 120 ℃로 예열

◇ Synthesis of CsPbI3 PQDs

(1) PbI2 0.5g, ODE 25mL를 100m 삼구 플라스크에 투입 (2) 120℃에서 stirring 해주며 30분 degassing (3) OA 2.5 mL, OLA 2.5 mL를 빠르게 인젝션 (4) 120℃에서 30분 degassing (5) 180 ℃ 질소 분위기 하에서 Cs-oleate 2 mL를 빠르게 인젝션 (6) ice bath에서 7s 냉각 후 25 ℃까지 냉각

◇ Purification of CsPbI3 PQDs

(1) 20 mL MeOAc, 10 mL CsPbI3 solution 혼합 (2) 5000 rpm에서 3분 centrifugation (3) 상층액 폐기 후 침전물을 3.3 mL hexane에 분산 (4) 4.7 mL MeOAc 투입 후 5000 rpm에서 3분 centrifugation (5) 상층액 폐기 후 침전물을 10 mL hexane에 분산 (6) 5000 rpm에서 3분 centrifugation (7) 진공 분위기에서 건조 (8) CsPbI3-PQD solid를 octane에 분산(75 mg/mL)

◇ Fabrication of CsPbI3 PQD Solar Cells

FTO glass substrate

세제, deionized water, IPA, 아세톤, IPA 순으로 washing 후 20분 UV/ozone treat

ETL

(1) TiO2 precursor를 3 mL 주사기에 2 mL 담아 0.2 μL 필터를 사용해 3방울 드랍 (2) 3000 rpm 30s spin coating 후 150 ℃ 10분 어닐링 (3) 퍼니스 100 ℃ 설정 후 500 ℃ 1시간 어닐링 (4) 100 ℃ 설정 후 천천히 식힘 (5) 15분 UV/ozone treat

Perovskite Layer

(1) CsPbI3 PQD solution을 40 μL 드랍하여 1000 rpm 20 s, 2000 rpm 5s spin coating (2) MeOAc 170 μL를 드랍하여 5s 반응 후 2000 rpm 20s spin coating(first ligand exchange) (3) 5회 반복 (4) 0.45 μm 필터링 처리한 TPPO in EtOAc solution(1 mg/mL) 170 μL를 드랍하여 5s 반응 후 2000 rpm 20s spin coating(second ligand exchange)

FA 양이온 치환 본 과제에서는 Cs 양이온을 FA 양이온으로 치환하기 위해 두 가지 방법을 사용하였다.

FAI in octane(Purification of CsPbI3 PQDs step)

(1) FAI in octane(1-2 mg/mL)를 30 분 sonication (2) CsPbI3-PQD solid를 용액에 분산 (3) 이후 과정 동일

FAI spin coating(Perovskite Layer step)

(1) TPPO 리간드 처리 전 0.45 μm 필터링 처리한 FAI in EtOAc(1 mg/mL)를 드랍하여 5s 반응 후 2000 rpm 20s spin coating (2) 이후 과정 동일

HTL

(1) Spiro-MeOTAD 72.3 mg, CB 1 mL, tBP 28.8 μL, LT-TESI 17.5 μL를 혼합하여 spiro 용액 제작 (2) spiro 도핑은 한 시간 전에 시작 (3) 0.45 μm 필터링 처리한 용액을 80 μL 드랍하고 4000 rpm 30s spin coating

Electrode

(1) 전극을 증착할 표면을 etching (2) Thermal evaporator 장비를 이용해서 전극을 증착한다. MoO3를 8nm, Ag를 100nm 코팅

결과 및 평가

개발과제 핵심 결과

◇ CsPbI3 합성 결과

CsPbI3 QD가 합성되었는지 여부를 확인하기 위해 UV-vis spectrum을 측정한 결과이다. 일반적으로 CsPbI3의 흡수 edge는 680~700 nm 부근에서 확인된다. 본 과제에서 합성한 QD의 흡수 edge가 698 nm에서 관찰되므로 CsPbI3 QD가 합성되었음을 확인할 수 있고, 밴드갭이 약 1.78 eV 수준임을 확인할 수 있다.

합성된 QD의 품질을 확인하기 위해서 PL(Photoluminescene)을 측정한 결과이다. PL peak는 677 nm에 위치하고 FWHM은 41.51 nm에서 확인된다. 일반적으로 합성이 잘 되었는지 판단하는 기준이 FWHM 25~40 nm 영역이므로 CsPbI3 QD가 양호한 수준으로 합성되었음을 알 수 있다. 빛을 흡수하고 다시 방출하는 과정에서 에너지의 손실이 생기기 때문에 PL peak의 위치는 흡수 edge보다 긴 파장대에 위치해야 한다. 하지만 반대로 짧은 파장대에 위치하는 것을 볼 수 있는데, 이는 QD의 표면의 결함 때문이라 추정된다.

◇ Cs+ and FA+ cation exchange

다양한 방법으로 CsPbI3 QD의 Cs+를 FA+로 일부 치환하였다. 이후 각각의 합성 조건에서 가장 높은 PCE 성능을 보인 cell의 data를 서로 비교해 보았다.

1) FAI solid state ligand exchange

solar cell 제작을 위해 spin coating을 마친 CsPbI3 QD layer 위에 FAI를 spin coating 하는 방식으로, QD layer 표면의 일부 Cs+를 FA+로 치환하는 방법이다.

2) FAI liquid state ligand exchange

합성한 CsPbI3 QD를 FAI가 포화된 용액에 분산시킴으로써 CsPbI3 QD의 전체 Cs+ 중 일부를 FA+로 치환하는 방법이다. 이후에 치환된 QD를 spin coating 해서 solar cell을 제작한다.

◇ TPPO ligand

spin coating으로 QD layer를 형성한 이후 그 표면의 긴 사슬 리간드들을(OA, OLA 등) MeOAc로 washing, 제거하고 사슬이 짧은 새로운 리간드인 TPPO를 spin coating 한다.

1) CsPbI3

2) FAI solid state ligand exchange

3) FAI liquid state ligand exchange

◇ 안정성

소자의 안정성 확인을 위해 샘플들을 하루는 air 환경에, 이틀은 진공에 보관한 후 성능을 재측정하였다.

◇ 결론

• FA+ 치환의 효과

FA+를 치환했을 때 JSC, VOC, FF, PCE가 전반적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이때 Liquid state에서 FAI를 치환한 것보다 Solid state에서 FAI를 치환한 것이 효과가 훨씬 큰 양상이 확인된다. 또한 FA+ 치환을 한 cell들은 치환을 하지 않은 cell보다 성능 저하가 적고 더 안정적인 것을 확인할 수 있다.

• TPPO의 효과

TPPO 처리를 한 cell의 경우 JSC, VOC, FF, PCE 등 다양한 지표에서 성능이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 다만 FA+ 치환에 의한 성능 향상보다는 적은 폭으로 증가하는 양상 또한 확인된다. TPPO를 처리한 cell은 안정성 측면에서도 향상된 모습을 보였다. 하나의 cell에 존재하는 5개의 전극들 사이의 성능 편차가 크게 줄어들었다. 또한 TPPO 처리를 안한 cell보다 성능 저하의 폭도 줄었다.

개발과제 평가

개발과제 관련 향후 전망

◇ 본 과제에서는 페로브스카이트 QD의 A-site cation으로 CS와 FA를 혼합하고, 혼합 전구체의 합성을 위해 다양한 혼합 방식을 사용, 비교하며 우수한 페로브스카이트 QD 합성 조건을 모색하였다. 또한 리간드로 사용한 TPPO가 기존 대비 성능 뿐만 아니라 안정성 측면에서도 우수한 결과를 나타냄을 확인하였다. 이는 새로운 리간드가 지속가능성 측면에서 기여할 수 있음을 시사한다. 추후 MA 기반 PQDs등 새로운 시료를 통해 합성한 페로브스카이트 QD에서도 위 리간드를 사용하는 후속 연구들이 진행될 것으로 기대된다.

◇ PQD는 밴드갭 조절이 용이하여 실리콘과 결합한 탠덤(Tandem) 구조를 통해 30% 이상의 초고효율을 달성하였으며, 안정성 증진 및 상용화 기술의 개발이 과제로 남아있다. ITRPV(2025)에 따르면, 2027년에는 페로브-Si(TOPCon)가 전체 탠덤 태양전지 시장의 99%를 점유할 것으로 보이며, 2035년에는 페로브-페로브 탠덤이 약 11%의 점유율을 차지하면서, 시장이 점차 양분화될 것으로 전망하고 있다.(VDMA(2025), International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) 16th Edition)

참고문헌

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◇ Method and apparatus for manufacturing metal halide perovskite quantum dot having enhanced stability, and solar cell comprising the metal halide perovskite quantum dot manufactured thereby(2022).

◇ Perovskite surface stabilization method and perovskite photoelectric device using the same(2023).

◇ Donglin Jia, Jingxuan Chen, Rongshan Zhuang, Yong Hua, Xiaoliang Zhang(2023). Antisolvent-Assisted In Situ Cation Exchange of Perovskite Quantum Dots for Efficient Solar Cells, Advanced Materials, 35(21).

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