이연진 교수팀, 2차원 페로브스카이트 광안정성 획기적 향상

금속성 납 결함의 특성에 주목해 광열화 과정 밝혀

태양 전지, LED 응용 분야 등 고성능 광전소자 개발에 기여할 것으로 기대

[사진. (왼쪽부터) 김기태 학생(제1저자), 이연진 교수(교신저자), 한국과학기술연구원 박수형 박사(교신저자), 강원대 이현복 교수(교신저자)]

이과대학 물리학과 이연진 교수 연구팀은 국내외 연구자들과 공동 연구를 통해 2차원 페로브스카이트(Perovskite)의 광열화(Photodegradation) 과정을 규명하고, 안정성을 크게 향상시킬 방법을 학계에 보고했다.

페로브스카이트는 우수한 광전기적 특성과 공정성, 경제성 등으로 태양 전지 및 LED 응용 분야에서 각광받는 물질이다. 특히 최근에는 물질의 안정성을 높이기 위해 페로브스카이트를 유기 분자층으로 감싼 ‘2차원 페로브스카이트’에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있다. 2차원 페로브스카이트는 자체적으로 우수한 특성을 가지며, 3차원 페로브스카이트와 함께 사용 시 높은 시너지 효과를 나타낸다. 그러나 이 물질은 열, 수분, 산소에 대한 저항성은 높지만, 빛에 취약해 광열화가 자주 발생하는 문제점이 있다. 

현재까지 알려진 방법으로는 페로브스카이트의 안정성 문제를 완전히 해결하지 못하는 한계가 있으며, 광열화 과정에 대한 명확한 규명은 물론 억제 방법이 알려지지 않아 고성능 광전 소자 개발에 어려움이 있었다.

이에 연구팀은 2차원 페로브스카이트인 PEA2PbI4를 사용해 초고진공 환경에서 레이저를 조사하고, 광전자 분광법을 통한 물성 분석을 수행해 2차원 페로브스카이트의 광열화 과정을 체계적으로 분석했다. 

그 결과, 광열화가 진행되면 표면 결정 구조의 붕괴와 구성 원소의 상실이 발생해 광학 및 전기 특성에 치명적 영향을 미치는 ‘금속성 납 결함’이 증가함을 확인했다. 그뿐만 아니라 2차원 페로브스카이트의 광열화를 억제하고, 광안정성을 크게 향상시키는 방법을 제시했다. 

연구팀은 전자가 풍부한(Electron-rich) 금속성 납 결함의 특성에 주목해, 전자를 강하게 끌어당기는 F6-TCNNQ 분자를 2차원 페로브스카이트 표면에 증착함으로써 결함의 전자를 제거했다. 광열화가 진행된 2차원 페로브스카이트의 경우, 극소량의 분자 증착으로 금속성 납 결함을 완전히 제거할 수 있으며, 동시에 광학적 특성이 회복됨을 보였다. 또한 광열화가 진행되기 전, F6-TCNNQ 분자를 미리 증착해 두면 광열화를 사전에 방지할 수 있음도 확인했다.

[그림. 2차원 페로브스카이트 PEA2PbI4의 광열화 과정과 유기 분자 증착을 통한 금속성 납 결함 제거 과정을 결정 구조와 밴드 구조 관점에서 바라본 모식도]

이연진 교수는 “2차원 페로브스카이트에 대한 관심이 증가하고 있는 상황에서, 광열화 과정을 규명하고 해결책을 제시하는 것은 매우 중요한 연구”라고 강조하며, “본 연구 결과가 페로브스카이트의 특성 이해와 기반 소자 발전에 크게 기여할 것으로 기대한다.”고 설명했다.

이 연구는 물리학과 김기태 연구원(제1저자)이 주도하고, 한국과학기술연구원 박수형 박사, 강원대 이현복 교수, 우리 대학교 조상완 교수, 독일 훔볼트대 에밀 리스트-크라토흐빌(Emil List-Kratochvil) 교수가 참여했으며, 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 선도연구센터지원사업(반데르발스물질연구센터) 등의 지원을 받아 수행됐다. 

연구 결과는 응용 물리학 분야 권위 있는 국제 학술지인 ‘어플라이드 피직스 리뷰(Applied Physics Reviews, IF 15.0)’에 11월 22일 온라인 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 ‘특집 논문(Featured Article)’으로 선정됐다.

논문정보

● 논문제목: Enhancing photostability of 2D Ruddlesden–Popper perovskite via molecular acceptor passivation of metallic lead defects

● 논문주소: https://doi.org/10.1063/5.0157930