Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

깨끗한 에너지를 향한 탐구는 오랫동안 햇빛을 포착하여 놀라운 효율로 전기로 바꿀 수 있는 재료에 집중해 왔습니다. 가장 유망한 후보 중 하나는 페로브스카이트(perovskites)라고 알려진 결정족으로, 이들은 최근 태양광 발전 분야에 혁명을 일으켰습니다. 이 재료들은 빛을 강렬하게 흡수하고 전기 전하를 빠르게 이동시킬 수 있는 특정 원자 배열을 바탕으로 만들어집니다. 수년 동안 이 결정들의 가장 효과적인 버전은 납(lead)에 의존해 왔는데, 납은 이들을 매우 뛰어나게 작동하게 만들지만 동시에 심각한 문제를 야기합니다. 바로 납이 독성이 있다는 점입니다. 납은 인간의 건강과 환경에 상당한 위험을 초라하며, 신경계와 장기에 영향을 미치고 토양과 물에 축적될 수 있습니다. 이는 과학자들에게 어려운 딜레마를 안겨줍니다. 즉, 이 위험한 물질을 제거하면서도 어떻게 이 태양광 재료의 높은 성능을 유지할 것인가 하는 문제입니다.

2026년 8월에 발표된 한 연구에서, 인도의 자미아 밀리아 이슬라미아(Jamia Millia Islamia) 소속 연구원인 하산 압바스(Hasan Abbas)와 지샨 H. 칸(Zishan H. Khan)은 표준 납 기반 결정과 새로운 무납(lead-free) 대안을 비교함으로써 이 과제에 도전했습니다. 그들은 실험실에서 두 가지 특정 재료를 만들기 위해 노력했습니다. 하나는 납을 포함하고 있는 잘 알려진 메틸암모늄 요오드화 납(methylammonium lead iodide)이고, 다른 하나는 납을 훨씬 안전한 원소인 비스무트(bismuth)로 대체한 새로운 화합물인 메틸암모늄 요오드화 비스무트(methylammonium bismuth iodide)입니다. 연구팀은 단순히 화학 물질을 섞은 것이 아니라, 유리판 위에 이 재료들의 박막을 정교하게 성장시킨 후, 이들이 어떻게 구성되어 있고 빛과 어떻게 상호작용하는지 확인하기 위해 일련의 테스트를 수행했습니다. 그들의 목표는 더 안전한 비스무트 버전이 기존의 납 버전에 필적하는 구조적 품질과 빛 흡수 능력을 갖출 수 있는지, 아니면 실제 태양광 패널에 사용되는 것을 방지할 만큼 부족할지를 이해하는 것이었습니다.

연구진은 먼저 용액 공법을 사용하여 두 재료를 합성하는 것으로 시작했는데, 이 과정은 원료를 용매에 녹인 후 이를 건조시켜 고체 박막을 형성하는 과정을 포함합니다. 박막이 만들어진 후, 그들은 강력한 현미경을 통해 이들이 미세한 규모에서 어떻게 보이는지 조사했습니다. 이미지 결과, 무납 비스무트 박막은 매우 매끄럽고 조밀했으며, 납 기반 버전에서 때때로 나타나는 작은 구멍이나 틈이 없었습니다. 또한 비스무트 결정은 납의 대응물보다 약간 더 큰 구조를 형성했습니다. 연구팀이 X선 회절(X-ray diffraction) 기술—결정 구조를 밝혀내는 기법—을 사용하여 원자들의 내부 배열을 살펴보았을 때, 비스무트 재료가 실제로 납 재료보다 더 질서 정연하고 균일하다는 것을 발견했습니다. 이러한 높은 수준의 질서는 무납 박막이 물리적 구조 측면에서 전통적인 납 버전보다 잠재적으로 훨씬 더 우수한 품질을 갖추고 있음을 시사했습니다.

다음으로, 연구팀은 태양전지에서 가장 중요한 요소인 이 재료들이 빛을 어떻게 다루는지에 주목했습니다. 그들은 자외선부터 적외선까지 넓은 범위의 색상에 빛을 비추어, 얼마나 많은 빛이 흡수되고 얼마나 많은 빛이 통과하는지 확인했습니다. 결과는 두 재형 모두 빛을 포착하는 데 탁-월했지만, 서로 약간 다른 방식으로 빛을 흡수한다는 것을 보여주었습니다. 납 기반 재료는 760나노미터 파장에서 빛을 가장 강하게 흡수한 반면, 비스무트 재료는 530나노미터에서 정점을 찍었습니다. 납 버전은 가시광선의 더 넓은 범위를 흡수할 수 있었는데, 이는 전기를 생성하는 데 있어 핵심적인 이점입니다. 연구진은 빛이 재료를 통해 어떻게 이동하는지 계산했으며, 무납 박막이 빛을 산란시킬 수 있는 결함이 적어 더 균일하다는 것을 발견했습니다. 이러한 균일성은 현미경 이미지에서 관찰된 매끄러운 표면과 결합하여, 비스무트 재료가 매우 일관된 내부 구조를 가지고 있음을 나타냈습니다.

아마도 가장 중요한 발견은 에너지 갭, 즉 전자가 전류를 운반할 수 있도록 자유롭게 만드는 데 필요한 특정 에너지 양에 관한 것이었습니다. 납 기반 재료는 1.65 전자볼트(electron volts)의 에너지 갭을 가졌는데, 이 값은 단층 태양전지의 이론적 이상치에 매우 근접한 수치입니다. 이 완벽에 가까운 일치가 납 기반 페로브스카이트가 태양광을 전력으로 변환하는 데 매우 성공적이었던 이유를 설명해 줍니다. 반면, 무납 비스무트 재료는 2.23 전자볼트라는 더 넓은 에너지 갭을 가졌습니다. 이 수치는 여전히 유용하지만, 이는 해당 재료가 태양 스펙트럼의 다른 부분을 흡수하며, 납 버전에 비해 태양광의 전체 범위를 포착하는 데 효율성이 떨어진다는 것을 의미합니다. 연구는 또한 빛을 흡수한 후 빛을 방출하는 과정인 광발광(photoluminescence)을 조사했습니다. 납 재료는 760나노미터에서 빛을 냈고, 비스무트 재료는 590나노미터에서 빛을 내어 에너지 갭의 차이를 확인시켜 주었습니다.

궁극적으로, 이 연구는 두 재료의 뚜렷한 강점을 보여주는 그림을 그려냅니다. 무납 비스무트 페로브스카이트는 여러 면에서 구조적으로 우월함을 입증했는데, 납 버전보다 더 매끄럽고 결함이 적은 균일한 박막을 형성했습니다. 또한 독성이 있는 납의 위험으로부터 자유롭습니다. 그러나 납 기반 재료는 태양광으로부터 더 많은 에너지를 수확할 수 있게 해주는 에너지 갭이라는 결정적인 이점을 유지하고 있습니다. 연구진은 무납 옵션이 훌륭한 형태학적 특성을 제공하며 큰 가능성을 보여주지만, 납 기반의 경쟁 상대와 효율성을 맞추기 위해서는 여전히 추가적인 최적화가 필요하다고 결론지었습니다. 이 연구는 앞으로의 경로가 이러한 더 안전한 재료들을, 아마도 그 조성을 미세하게 조정함으로써, 독성이 있지만 매우 효율적인 납 결정이 세운 높은 기준에 근접하도록 정제하는 데 있음을 시사합니다.