🔬 물리학

Ammonium thiocyanate enables in-situ structural templating of MAPbI3 via quasi-2D perovskite scaffold

이 연구는 암모늄 티오시아네이트가 2D 층을 통한 전하 수송을 촉진함으로써가 아니라, 준2D 상 형성을 속도론적으로 제어하여 고도로 정렬된 3D 페로브스카이트 결정의 성장을 구조적으로 템플릿화하는 격자 정합 스캐폴드를 생성함으로써 MAPbI₃ 페로브스카이트 태양전지의 성능을 향상시킨다는 것을 밝혀냈다.

원저자: Sophie Tucker, Isaac Metcalf, Rachel C. Kilbride, Elena J. Cassella, Jessica H. Persaud, Faiz Mandani, Niranjana Raj, Max Allen, Charlie H. G. Nicholls, David G. Lidzey, Alice L. B. Pyne, Robert D. J.

게시일 2026-10-30

📖 4 분 읽기☕ 가벼운 읽기

CC BY 4.0

원저자: Sophie Tucker, Isaac Metcalf, Rachel C. Kilbride, Elena J. Cassella, Jessica H. Persaud, Faiz Mandani, Niranjana Raj, Max Allen, Charlie H. G. Nicholls, David G. Lidzey, Alice L. B. Pyne, Robert D. J. Oliver, Silvia Motti, Jacky Even, Aditya D. Mohite, Alexandra J. Ramadan

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

페로브스카이트라고 불리는 물질 계열로 만들어진 태양 전지는 청정 에너지의 미래에 대한 큰 가능성을 품고 있습니다. 이 물질들은 제조 비용이 저렴하고 유연한 표면에 인쇄할 수 있다는 장점이 있지만, 수분과 공기에 노출되었을 때 흔히 불안정해진다는 중대한 난관에 봉착해 있습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 준2차원(quasi-two-dimensional) 페로브스카이트라고 알려진 변형 모델을 개발했습니다. 빛을 잘 흡수하는 고효율 물질의 층들이 물을 밀어내는 두꺼운 유기 시트들에 의해 분리되어 있는 샌드위치를 상상해 보십시오. 이 유기 시트들은 보호 장벽 역할을 하여 내부 층을 습기로부터 보호하고 태양 전지를 훨씬 더 내구성 있게 만듭니다. 하지만 이러한 보호에는 대가가 따릅니다. 두꺼운 유기 층은 전기의 흐름을 막을 수 있으며, 물질이 다양한 층 두께를 가진 무질서한 혼합물 형태로 형성되어 에너지를 가두고 전지가 생성할 수 있는 전력을 낮추기도 합니다. 수년 동안 연구자들은 이러한 층상 구조의 안정성을 유지하면서도 전기를 효율적으로 전도하는 능력을 희생하지 않는 방법을 찾기 위해 고군분투해 왔습니다.

최근 한 연구에서 연구팀은 이 태양 전지들을 개선하는 데 사용되어 왔으나 그 정확한 기능이 미스터리로 남아 있던 암모늄 티오시아네이트(ammonium thiocyanate)라는 흔한 화학 첨가물을 조사했습니다. 기존의 믿음은 이 첨가물이 유기 층을 마치 책을 옆으로 세워둔 것처럼 수직으로 세워져서 전기가 물질을 통해 더 쉽게 흐르게끔 강제한다는 것이었습니다. 연구진은 이 가설을 테스트하기 위해 서로 조금 더 긴 사슬을 가진 두 종류의 유기 분자를 사용하여 페로브스카이트 물질의 박막을 만들고, 첨가제가 있을 때와 없을 때 물질이 어떻게 형성되는지 관찰했습니다. 그들은 박막이 형성되는 과정을 실시간으로 지켜보았고, 빛을 얼마나 흡수하는지 측정했으며, 강력한 X선 빔을 사용하여 물질 내부의 원자 배열을 관찰했습니다.

그들이 발견한 것은 기존의 이해를 완전히 뒤집는 것이었습니다. 첨가제는 단순히 유기 층을 세우도록 재배열하는 것이 아니었습니다. 대신, 첨가제는 물질이 처음부터 매우 질서 정연한 3차원 결정 구조를 형성하도록 돕는 가이드 역할을 했습니다. 연구진은 첨가제가 결정화 과정을 늦추어, 원자들이 무질서한 상태로 서둘러 달려가는 대신 스스로 완벽한 패턴으로 배열될 수 있는 더 많은 시간을 준다는 것을 발견했습니다. 더 긴 사슬을 가진 유기 분자를 사용한 샘플에서, 첨가제는 전기의 통로를 막는 특정적인 문제의 층 두께 형성을 성공적으로 방지했습니다. 첨가제는 임시 비계(scaffold) 역할을 하는 중간 층의 성장을 촉진하여, 최종적으로 매우 효율적인 3차원 결정이 완벽하게 정렬된 방향으로 성장할 수 있도록 도왔습니다. 그 결과, 물질은 더 안정적일 뿐만 아니라 전기 이동 능력도 훨씬 뛰어났습니다.

이 새로운 메커니즘에 대한 증거는 원자들이 배열된 방식에서 발견되었습니다. X선 산란을 통해 연구팀은 첨가제가 (110) 평면이 기판과 평행하도록 3차원 결정면을 정렬시킨 것을 확인했는데, 이는 전력을 추출하기에 이상적인 구성입니다. 이 정렬은 마치 무더기진 돌무더기가 아니라 완벽하게 타일이 깔린 바닥과 같았습니다. 결정적으로, 이 효과는 첨가제가 특정 유기 분자, 즉 더 긴 사형을 가진 분자와 상호작용할 때만 발생했습니다. 연구진이 더 짧은 사슬의 분자를 사용했을 때, 첨가제는 문제의 층 형성을 막는 데 실패했고 물질은 무질서한 상태로 남았습니다. 이는 첨가제의 성공이 물질에 대한 일반적인 효과가 아니라, 첨가제와 유기 분자 사이의 특정한 화학적 결합에 달려 있음을 입증했습니다.

이 발견의 영향은 태양 전지의 성능에서 즉각적으로 나타났습니다. 긴 사슬 분자와 첨가제를 사용한 소자는 그것 없이 만든 소자보다 현저히 많은 전기를 생산했습니다. 생성할 수 있는 전류량은 약 9.2에서 17.1 mA cm⁻²로 크게 증가했으며, 태양광을 전력으로 변환하는 전체 효율도 완만한 수준에서 훨씬 경쟁력 있는 수치로 뛰어올랐습니다. 이러한 개선은 새로운 질서 구조 덕분에 전하가 결정 경계(grain boundaries)에서 걸리거나 원치 않는 얇은 층에 의해 막히지 않고 자유롭게 이동할 수 있었기 때문입니다. 연구진은 또한 첨가제가 단순히 기존 물질의 결함을 메우는 것이 아니라, 물질이 성장하는 방식을 근본적으로 변화시켰음을 확인했습니다. 원자들이 올바른 위치를 찾을 수 있는 시간 창(time window)을 연장함으로써, 첨가제는 이 복잡한 층상 시스템에서 구현하기 어려웠던 고품질의 결정을 형성할 수 있게 했습니다.

이 연구는 더 나은 태양 전지를 만드는 열쇠가 단순히 문제를 해결하기 위해 화학 물질을 추가하는 것에 있는 것이 아니라, 물질이 형성되는 타이밍과 조건을 정밀하게 제어하는 데 있다는 점을 시사합니다. 본 연구는 결정화 과정을 늦추고 적절한 분자 조합을 사용함으로써, 과학자들이 물질이 스스로 매우 효율적인 구조를 구축하도록 유도할 수 있음을 보여줍니다. 첨가제가 테스트된 모든 유형의 유기 분자에 작용하는 것은 아니었지만, 긴 사슬 버전에서의 성공은 미래의 태양 전지를 설계하기 위한 명확한 청사진을 제공합니다. 이는 적절한 화학적 파트너가 있다면, 페로브스카이트 물질을 외부 환경에 안정적이면서도 에너지를 수확하는 데 효율적인 상태로 만드는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다. 이는 태양광 발전이 신뢰할 수 있고 저렴한 미래로 우리를 더 가까이 이끌고 있습니다.

기술 요약: 암모늄 티오시아네이트트가 준-2D 페로브스카이트 스캐폴드를 통한 MAPbI3의 인시튜(In-situ) 구조적 템플릿 형성을 가능하게 함

문제 제기
준-2차원(quasi-two-dimensional, quasi-2D) 러들스덴-포퍼(Ruddlesden-Popper) 페로브스카이트는 3차원(3D) 대응물에 비해 향상된 수분 안정성을 제공하지만, 낮은 광전 변환 효율(PCE)이라는 문제를 겪고 있다. 이러한 성능 격차는 감소된 수직 방향 전하 이동도, 엑시톤 결합 에너지 증가, 그리고 상 불균일성에서 기인한다. 구체적으로, 준-2D 박막은 서로 다른 층수( $n$ )를 가진 상들의 혼합물을 포함하는 경우가 많으며, 이때 낮은- $n$ 도메인(예: $n=1$ )은 전하 차단층 및 재결합 사이트로 작용한다. NH $_4$ SCN은 준-2D 페로브스카이트의 성능을 개선하고 수직 배향을 유도하기 위해 첨가제로 널리 사용되지만, 그 근저에 있는 메커니즘은 여전히 명확히 이해되지 않고 있다. 기존 보고들은 NH $_4$ SCN이 2D 층의 수직 배향을 유도하거나 이를 통한 전하 이동을 촉진한다고 제안해 왔으나, 상세한 구조적 메커니즘은 확립되지 않았다.

방법론
저자들은 세 가지 방향족 스페이서 양이온(4-플루오로-페네틸암모늄(FPEA), 4-플루오로-벤질암모늄(FBZA), 4-플루오로-페닐암모늄(FPA))을 사용하여 = 4 러들스덴-포퍼 페로브스카이트에서 NH $_4$ SCN의 역할을 조사하였다. 박막은 다양한 농도의 NH $_4$ SCN(Pb 대비 25 mol%로 최적화)을 사용하여 원스텝 스핀 코팅 방식으로 제작되었다.

본 연구는 다각적인 특성 분석 접근 방식을 채택하였다:

인시튜 광루미네선스(In-situ PL): 스핀 코팅 중 결정화 역학 및 상 진화를 모니터링함.
광학 분광법: 상 조성 및 밴드갭 변화를 식별하기 위해 UV-Vis 흡수 및 정상 상태 PL을 사용함.
시분해 PL(TRPL) 및 PL 양자 효율(PLQY): 캐리어 수명과 복사 재결합 효율을 평가함.
원자 힘 현미경(AFM): 표면 형태와 결정립 크기를 분석함.
결합 입사 광각 X선 산란(GIWAXS): 표면 및 벌크 영역 모두에서 결정 구조, 상 순도, 도메인 배향 및 격자 파라미터를 결정함.
소자 제작: 구조적 발견을 광전 성능 지표(J-V 곡선, EQE, PCE)와 상관시키기 위해 p-i-n 태양전지(ITO/MeO-2PACz/Perovskite/C60/BCP/Ag)를 구축함.

주요 발견 및 결과

작용 메커니즘: NH $_4$ SCN이 주로 2D 층의 수직 배향을 유도한다는 통념과 달리, 저자들은 이 첨가제가 준-2D 스캐폴드 상에 의해 지배적인 3D MAPbI $_3$ 상의 **인시튜 구조적 템플릿 형성(in-situ structural templating)**을 가능하게 함을 입증하였다.
상 제어 및 역학:
- FPEA 기반 시스템에서 NH $_4$ SCN은 핵 생성을 유의미하게 지연시켜, 열역학적으로는 불리하지만 역학적으로 유리한 $n=1$ 상의 형성을 억제한다.
- 이러한 지연은 고- $n$ 준-2D 중간 상( $n \ge 2$ )의 형성을 촉진한다.
- 이러한 고- $n$ 상들은 격자 파라미터가 MAPbI $_3$ 의 (110) 면(6.131 Å for $n=2$ vs. 6.12 Å for MAPbI $_3$ )과 밀접하게 일치하며, 고도로 정렬된 (110) 배향의 3D 페로브스카이트 도메인의 에피택셜 성장을 위한 스캐폴드 역할을 한다.
- 반면, FBZA 기반 시스템은 이러한 템플릿 형성에 실패하였다. FBZA 스페이서는 $n=1$ 상을 안정화하고 안정적인 고- $n$ 중간 상의 형성을 방해하였는데, 이는 입체 장애와 강한 DMF 배위 때문으로 보이며, 결과적으로 유의미한 구조적 개선이나 템플릿 형성이 나타나지 않았다.
구조적 증거:
- FPEA + NH $_4$ SCN에 대한 GIWAXS 데이터는 $n=1$ (002) 반사를 소멸시키고 MAPbI $_3$ (110) 피크를 이동시켰으며, 이는 데바이-셰러 링(Debye-Scherrer rings)에서 브래그 스팟(Bragg spots)으로의 전이를 동반하며 다결정에서 고도로 우선 배향된 성장으로의 전환을 나타낸다.
- 흡수 스펙트럼에는 존재함에도 불구하고 GIWAXs에서 고- $n$ 상에 대한 저-Q (002) 반사가 관찰되지 않는 것은, 이 상들이 커다란 배향된 2D 층이라기보다 벌크 내에 초미세하거나 고립되었거나 혹은 회전 불규칙한(translationally disordered) 템플릿으로 존재함을 시사한다.
- FPEA 샘플에서 관찰된 PL 방출의 적색 편이는 단순한 SCN $^-$ 패시베이션(순수 MAPbI $_3$ 에 NH $_4$ SCN을 넣었을 때는 이러한 이동이 없었음)이 아니라, 스캐폴드와의 격자 정합에 따른 3D 상의 밴드갭 축소에 기인한다.
형태학적 및 전자적 개선:
- NH $_4$ SCN 처리는 FPEA 박막의 결정립 크기를 증가시키고 표면 거칠기를 감소시켰다.
- FPEA의 PLQY가 크게 증가하였고(약 0.6%에서 1.1%로), 캐리어 수명이 연장되었는데, 이는 결함 밀도와 트랩 상태가 감소했음을 나타낸다.
광전 성능:
- FPEA 소자: 구조적 개선은 PCE를 4.6%(프리스틴)에서 13.2%(NH $_4$ SCN 처리)로 대폭 증가시켰다. 이는 전하 차단 $n=1$ 상의 제거와 결정성 향상에 기인하며, 단락 전류( $J_{SC}$ )와 충전율(FF)의 큰 증가에 의해 주도되었다.
- FBZA 소자: 첨가제 투입에도 불구하고 $n=1$ 상의 지속과 템플릿 형성 부재로 인해 낮은 성능(2.3%)을 유지하였다.
- VOC 트레이드오프: 처리된 소자에서 약간의 개방 전압( $V_{OC}$ ) 감소가 관찰되었는데, 이는 3D 상의 밴드갭 축소에 기인한다.

의의 및 주장
본 논문은 준-2D 페로브스카이트에서 NH $_4$ SCN의 주요 이점이 2D 층의 수직 정렬이 아니라, 고결정성 및 배향성을 가진 3D 페로브스카이트의 인시튜 템플릿 성장을 용이하게 하는 상 분포의 역학적 제어임을 밝힌다고 주장한다.

저자들은 이 템플릿 메커니즘이 양이온 의존적이라고 단언하며, 두 가지 특정 조건을 요구한다:

첨가제가 $n=1$ 상을 효과적으로 억제하고 고- $n$ 준-2D 중간 상을 촉진해야 한다.
고- $n$ 준-2D 스캐폴드와 대상 3D 상 사이에 밀접한 격자 정합이 있어야 한다.

본 연구는 2D 페로브스카이트의 첨가제 효과에 대한 기존의 해석에 도전하며, 합리적인 첨가제 설계를 위한 구조적 근거를 제공한다. 저자들은 준-2D 광전 소자의 최적화가 단순히 2D 층 자체를 전하 수송에 이용하는 것이 아니라, 전구체 용액을 엔지니어링하여 역학적 트랩(예: $n=1$ 형성)을 우회하고 준-2D 상을 고품질 3D 성장을 위한 일시적인 스캐폴드로 활용하는 것에 달려 있다고 결론짓는다.

유사한 논문