무용매(solvent-free) 공정을 통해 생산되는 저독성 반도체 재료는 태양 전지 및 LED 응용 분야에 새로운 시대를 열 것으로 기대된다.
할로겐화물 페로브스카이트(Halide perovskites)는 태양 전지에 사용될 때 햇빛을 전기 (LED의 경우에는 전기를 가시광선으로)로 바꿀 수 있는 일종의 반도체 재료이다. 이 재료는 수십 년 동안 알려져 왔지만, 광전지(태양 전지) 재료로서의 엄청난 잠재력은 최근에서야 주목을 받기 시작했다.
스페인 발렌시아 대학교 분자 과학 연구소의 행크 볼링(Henk Bolink) 교수는 할로겐화물 페로브스카이트의 장점을 다음과 같이 설명한다. 이 물질은 매우 간단한 화학 공정을 통해 고품질을 얻을 수 있다. 그리고 이 물질은 적외선에서 자외선에 이르기까지 전체 가시 범위에 걸쳐 만들어질 수 있다. 그는 이러한 장점으로 인해 할로겐화물 페로브스카이트가 태양 전지 및 백색 LED 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다고 말한다.
그러나 이 재료를 상업화하는 데 있어 최대 핵심 난제는 경제적 타당성이었다. 대형 태양광전지는 최소 10년의 작동 수명을 필요로 하는 반면 최첨단 LED는 수천 시간 동안 작동한다. 볼링 교수는 페로브스카이트 구조 기반의 광전지 및 LED는 안정성 개선이 필요하다고 말했다.
두 번째 문제는 모든 고효율 할로겐화물 페로브스카이트 태양 전지 및 LED가 소량의 유독성 납 성분을 함유하고 있다는 점이다. 무연(lead-free) 페로브스카이트는 폐기물 저장 및 재활용 문제로부터 자유롭다. 무용매(solvent-free) 공정을 달성하는 것은 페로브스카이트를 더욱 매력적인 재료로 만들 것이다.
저독성 대체물질
PerovSAM 프로젝트는 할로겐화물 페로브스카이트 선도 및 무용매(solvent-free) 생산방식을 개발하기 위한 저독성 대체 물질을 탐색하기 위해 2018년 1월에 시작되었다. 이 연구에는 마리퀴리(Marie Skłodowska-Curie Actions) 프로그램의 지원을 받아 프란시스코 팔라존(Francisco Palazon)이 참여했다.
볼링 교수는 “가끔은 가장 간단한 아이디어가 최고일 때가 있다”라고 말한다. 그는 프로젝트 초기에 화학 물질을 분말로 만드는 것이 많은 흥미로운 물질을 형성할 수 있다는 생각을 하지 않았다. 하지만 연구팀은 곧 이 기술의 큰 잠재력을 발견하기 시작했다.
프로젝트팀은 다양한 화학적 성분을 탐구했다. 볼링 교수는 “납을 보다 환경 친화적인 금속으로 대체하려는 탐색으로 인해 삼원계 구리 할로겐화물(tenary copper halides)과 같은 보다 '이형적인' 물질로 이동하게 되었다”고 덧붙였다.
핵심 과제는 분말 물질을 박막(thin films)으로 전환하는 것이었다. 재료를 원하는 기본물질로 응축하기 위해 진공실(vacuum chamber) 내부의 분말을 가열하는 기술이 개발되었다. 볼링은 "우리는 또한 놀랍게도 X선 탐지기에 활용될 수 있는 고품질의 알갱이들이(pallets) 분말을 누르는 것만으로도 간단하게 준비될 수 있다는 것을 발견했다"고 설명한다.
산업 잠재력
진공 기반 생산 공정을 개발하고 밝은 청색 발광의 저독성 구리 할로겐화물을 생산하는 PerovSAMs 프로젝트의 성과는 학술저널을 통하여 공유되었다. 볼링 교수는 이 프로젝트에서 개발된 기술이 산업계로 이전 될 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있으며, 연구진들은 현재 생산 규모 증대를 위한 공정을 최적화하고 있다고 말했다.
이 프로젝트는 또한 할로겐화물 페로브스카이트 및 관련 광전자공학(optoelectronics)에 대한 새로운 연구를 촉진시켰다. 볼링은 이 기술이 광전지 및 기타 응용 분야에서 새로운 재료의 발견과 이의 활용 증진을 유도할 것으로 전망했다.
페로브스카이트 구성요소들의 조속한 개발은 ERC 연구지원 프로젝트 HELD의 출발점 중 하나이며, 볼링 교수는 HELD 프로젝트의 연구책임자로 과제를 수행하고 있다. 이 프로젝트는 2019년 9월에 시작하여 높은 휘도를 갖는 다층 스택과 재현성을 가진 생산 방법을 개발하는 것을 목표로 하고 있다. 볼링 교수는 향후 PerovSAM 프로젝트에서 개발한 분말을 표면이 균일한 박막으로 바꾸는 기술을 더욱 발전시킬 것이라고 말했다.
