페로브스카이트 ??

19세기 러시아 우랄산맥에서 "페로브스카이트" 발견.

러시아 과학자 페로브스키의 이름을 따서 작명.

이후 CaTiO3의 구조가 밝혀지면서 같은 유형의 물질을 페로브스카이트로 명명.

 

세가지 물질이 독특하게 엮인 구조로 성분 중 한 가지를 유기물질로 바꿔서도 제작 가능.

유기물 체인의 변화로 반도체처럼 물질의 전도성을 조절할 수 있기 때문에 그 활용처가 무궁무진.

 

이후 지금까지 150년이 넘는 세월동안 과학자들은 여러가지 성분을 조합하여 페로브스카이트의 특성을 실험하였다.

 

▶구조

광물의 구조는 일정한 규칙을 가진 반복 배열된 원자들로 구성. 이러한 원자들의 규칙적인 배열을 결정 격자(Crystal lattice)라 하며, 결정격자는 단위격자(unit lattice) 또는 단위포(unit cell)라는 기본 단위가 반복되어 쌓인 형태.

페로브스카이트는 AMX3의 일반 화학식을 가지며, 두 종류의 양이온(A,M)과 한 종류의 음이온(X)이 결합하여 3차원 결정.

A원자는 입방 단위격자의 각 꼭짖점에 위치, M원자는 체심(body-center)에 위치, 즉 중심에 자리잡으며, X원자는 면심위치, 다시 말해 면의 중심에 존재한다.

 

▶종류 및 특징

두 종류의 양이온이 금속으로 이루어진 BaTiO3, KbTiO3, PbTiO3등 무기 페로브스카이트가 일반적으로 알려졌으며, 음이온(X)의 자리에 산소가 들어간 형태가 주로 연구되어 왔다.

최근에는 유-무기 혼성 페로브스카이트, 양이온 자리에 무기물과 유기물이 들어가고, 음이온 자리에 할로젠화물이 들어간 페로브스카이트가 유기, 무기물의 장점을 모두 가지면서 각광을 받는중이다.

유기물이 들어갈 경우, 유기물 체인의 변화로 물질의 전도성을 조절할 수 있다.

기존의 무기 페로브스카이트 CsPbX3에서 Cs를 메틸암모늄으로 치환한 CH3NH3PbI3는 고성능 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 대표적인 물질.

페로브스카이트는 반도체, 부도체, 전도체, 초전도체 현상까지 보이는 금속산화물로, 빛에너지의 흡수와 발광이 모두 가능.

 

▶태양전지

페로브스카이트의 빛의 흡수 성질을 이용하여 태양전지로 이용.

페로브스카이트는 높은 광전효율을 가지고 있다.

유 무기 하이브리드 페로브스카이트를 광활성층으로 사용하기 때문에 무기 재료만을 사용할때보다 가볍고 유연할 뿐 아니라, 전하수송 능력이 없는 유기 염료에 비해 전하 이동 능력이 우수하며 전자, 정공 모두를 축적가능.

또한 1,000℃이상의 고온이 필요하며 복잡한 공정의 실리콘 태양전지와 달리 저렴한 용액 공정을 거쳐 생산되기 때문에 경제적 가치가 있으며, 설치 장소와 활용 분야에 제약이 적다.

 

▶"페로브스카이트" 태양전지, 앞으로의 과제

균일하면서도 전기화학적 특성이 우수하며 대면적, 장수명 페로브스카이트 태양전지를 구현해야 한다.

또한 수분에 약해서 그에 대한 대책이 필요하며 납과 같은 중금속을 포함하기도 하기 때문에, 납 없는 고효율, 친환경 페로브스카이트 물질에 대한 연구가 이뤄어 지고 있다.

첨가제를 이용하여 특성을 개선시키는중. 

최근 염화메틸암모늄 첨가제를 이용하였을 때 결정의 크기가 6배 이상 증가, 고효율의 전기적 특성을 구현.