요약문

하이브리드 유무기 반도체 물질인 할로겐 페로브스카이트는 최근 각광받는 차세대 반도체 물질 중 하나로서 현재 과학계에서 상당한 관심을 불러일으키고 있다. 이 보고서에는 할로겐 페로브스 카이트 물질의 구조적 및 형태학적 특성을 전기적 특성과 결합하는 분석 방법에 대하여 기술할 것이다. 수나노 단위로 다양한 전기적 특성을 동시에 이미징할 수 있는 Kelvin probe force microscopy(KPFM)와 conductive atomic force microscopy(c-AFM) 분석 방법으로 다결정 반도체 박막인 유-무기 하이브리드 할로겐 페로브스카이트 반도체에 존재하는 대표적인 결함인 2D grain boundary (GB)의 전기적 특성을 분석해보고 빛, 전압, 수분이 가해졌을 때의 특성을 살펴보았다. 우리는 GB 가 전자와 전공의 분리, 이온의 움직임, 수분의 침투에 큰 영향을 미친다는 것을 관찰 하였다.

1. 유-무기 하이브리드 반도체(Organic-inorganic hybrid semiconductor)

유무기 하이브리드 반도체는 유기 및 무기 구성 요소를 결합하여 새로운 소재를 만드는 것을 말한다. 이러한 소재는 유기 및 무기 소재의 장점인 저비용 가공, 고유연성, 고전하이동성 등을 갖 추고 있다. 이러한 특성들은 광전자, 센서 및 태양광 전지 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 유 무기 하이브리드 반도체의 예로는 할로겐 페로브스카이트 태양전지, 유기-무기 나노복합체 및 금 속-유기 프레임워크 등이 있다.

이 중 할로겐 유-무기 페로브스카이트는 특히 최근에 가장 각광받는 소재 중의 하나로, 페로브 스카이트 물질(ABX3)과 할로겐 원소로 이루어져 있다[그림 1(a)]. 예를 들면, 가장 일반적으로 사 용되는 MA[Methylammonium, CH3NH3]나 FA[Formamidinium, HC(NH₂)₂] 같은 유기 양이온(A)과 Lead 와 같은 금속(B)과 무기 할로겐 음이온(X=Cl, Br, I 등)과 결합하여 형성된다. 할로겐 페로브스 카이트는 특히 태양전지에서 응용 가능성이 유망하다. 할로겐 페로브스카이트는 전하 캐리어의 이동성이 높고 흡광계수가 높아 태양광 전지 분야에서 차세대 물질로 각광받고 있다. 이들은 상 대적으로 낮은 공정 비용과 높은 전력변환효율(>25%)을 보여줌으로써 기존의 주류인 실리콘 태양전지와의 다중 접합을 통해 30%가 넘는 고효율 탠덤 태양전지[perovskite-silicon tandem solar cell, 그림 1(b)] 효율을 달성했다. 그림 1(c)에서 볼 수 있듯이 페로브스카이트 태양전지의 효율은 실리콘 태양전지 효율과 거의 비슷한 수준까지 도달했으며, 이 두 소재를 접합한 탠덤 태양전지 는 아주 짧은 연구 기간 동안 이미 30%가 넘는 효율을 보이고 있다