페로브스카이트 태양전지 안정성 높인 패시베이션층 개발

기존 전자 디바이스의 소형화 및 효율 한계를 극복하기 위해 강유전체와 2차원 반도체 물질을 결합한 저항 스위칭 소자가 개발되었습니다. 이 기술은 강유전체 층의 분극 현상과 2차원 반도체 층의 전자-정공 분리 현상을 결합하여, 분극-의존 계면 커플링 효과를 통해 저항 스위칭 현상을 유도합니다. 특히 PbTiO3 박막과 MoS2 또는 WSe2 같은 2D 반도체 시트를 통합함으로써 전기적 성능과 광전 효율을 크게 향상시킵니다. 이는 외부 전압 인가 부담을 줄이고 효율 안정성을 높여, 광-감응 멤리스터, 광전자공학 저항 스위칭 메모리, 비-PN 접합 태양 전지 등 차세대 소형 광전 디바이스 및 고성능 메모리 개발에 새로운 가능성을 제시합니다.

기존 페로브스카이트 물질은 용액에 취약하여 정밀한 대면적 미세 패턴 형성에 어려움이 있었습니다. 본 기술은 소수성 층 위에 포토 리소그래피로 패턴화된 친수성 층을 형성하고, 그 위에 페로브스카이트 물질을 선택적으로 증착하여 이 문제를 해결합니다. 특수하게 제어된 무기 산화물 층과 rf-스퍼터링, 메탈 마스크를 활용하여 10 µm 내지 200 µm의 미세 선폭을 갖는 대면적 패턴을 구현할 수 있습니다. 이를 통해 태양전지, 광 검출기, LED 등 다양한 페로브스카이트 광전 디바이스의 안정성과 성능을 획기적으로 개선하며 상업화 가능성을 높입니다.

기존 박막 페로브스카이트 기반 태양전지는 접착력 저하와 얇은 2차원 반도체층 전사 불가능 등의 문제점이 있었습니다. 본 기술은 할라이드 페로브스카이트 단결정과 2차원 반도체 물질층을 이종접합하여 이러한 한계를 극복합니다. 낮은 표면 거칠기를 가진 단결정에 유연성 고분자 필름을 이용한 저온 건식전사법을 적용하여 얇은 2차원 반도체 물질층을 손상 없이 접합합니다. 이를 통해 캐리어 유동성을 높여 전하 수송 능력을 향상시키며, 특히 2차원 물질층 두께를 14nm 이하로 최적화하여 일함수 차이를 2eV 이내로 유지해 효율적인 전하 이동을 가능하게 합니다. 결과적으로 디바이스 안정성 및 성능이 크게 향상되고, 디바이스 스케일 감소와 더불어 유연한 디자인이 가능합니다. 이 기술은 페로브스카이트 태양전지를 포함한 다양한 광전 디바이스에 적용될 수 있습니다.

산화주석 등 반도체 물질은 산소 공석으로 인해 전기적으로 불안정하며, 태양전지 전자수송층 등에 사용 시 효율 저하 및 기존 오존 처리의 한계로 추가 결함 발생 문제가 있었습니다. 본 기술은 염소화 패시베이션층을 형성하여 산소 공석 등 결함을 치유하고 보호막을 제공함으로써 디바이스의 안정성을 크게 향상시킵니다. 반도체 물질층 표면, 기판 사이 또는 물질층 내부에 염소화 패시베이션층을 다양한 방식으로 형성하며, 특히 UVO 처리 후 염소화 패시베이션 전구체(NH4Cl)를 스핀코팅하는 제조 공법을 사용합니다. 낮은 열처리 온도(50~150℃)와 최적 농도(20~80mM)를 통해 공정 효율성을 높입니다. 이 디바이스는 산소 환경에서도 장기간 안정적인 특성을 유지하며, 페로브스카이트 태양전지의 전자수송층 및 RRAM 소자 등에 적용되어 제품의 내구성 및 전자 수송 능력을 획기적으로 개선합니다.

기존 페로브스카이트 단결정 제조 방식은 대면적·고품질 생산에 한계가 있었습니다. 본 기술은 할라이드 페로브스카이트 원료의 역행 용해도 특성을 활용, 저온 용매로 용해도를 극대화하고 온도 구간별로 정밀하게 승온율을 조절하여 단결정을 빠르게 성장시킵니다. 이를 통해 -60℃에서 0℃ 사이의 저온 용매화와 최적화된 승온 제어를 거쳐, 고결정성, 고품질의 대면적 할라이드 페로브스카이트 단결정을 단시간에 제조할 수 있습니다. 제조된 단결정은 우수한 광학적, 전기적 특성을 보여주며, 낮은 트랩 밀도와 높은 이동도를 통해 광검출기 등 다양한 광전 디바이스에 적용되어 뛰어난 성능과 빠른 응답 속도를 제공합니다.

기존 할라이드 페로브스카이트 박막의 불안정성과 유리 기판을 이용한 단결정 제작의 긴 공정 시간 및 유연 소자 적용 한계가 문제점으로 지적되어 왔습니다. 본 기술은 유연기판 위에 페로브스카이트 전구체 용액을 도포하고 폴리머 커버로 덮은 뒤, 진공 오븐에서 열처리하여 단결정을 성장시키는 방법을 제안합니다. 이 공정을 통해 단결정 성장 시간을 1~10시간으로 단축하고, 폴리머 커버를 사용하여 유연기판과의 접착력을 향상시킵니다. 제작된 0.5~20μm 두께의 페로브스카이트 단결정은 구부러지거나 균열이 발생해도 높은 광반응성과 소자 안정성을 유지하며, 유연 전자 소자 및 고집적 소자 응용에 크게 기여할 수 있습니다.