Detailed Characterization of Methylammonium and Formamidinium Bismuth Iodide Perovskite Thin Films, Focusing on Electrical Properties for Optoelectronic Applications

태양 에너지 분야에서 과학자들은 현재의 실리콘 패널보다 더 효율적으로 햇빛을 포착하여 전기로 바꿀 수 있는 재료를 오랫동안 찾아왔습니다. 수년 동안 페로브스카이트(perovskites)라고 알려진 한 계열의 재료들이 큰 가능성을 보여주었지만, 성능이 뛰어난 많은 재료들은 환경 및 건강 위험을 초to 초래하는 독성 금속인 납을 포함하고 있습니다. 이는 연구자들이 동일한 전기적 전하 전도 능력을 유지하면서도 더 안전한 무납(lead-free) 대안물을 찾도록 몰아붙였습니다. 가장 유망한 후보 중 하나는 독성이 훨씬 적은 금속인 비스무트(bismuth)로 만들어진 화합물입니다. 그러나 단순히 납을 비스무트로 교체하는 것만으로는 재료의 거동이 변하게 됩니다. 이 새로운 재료들을 유용하게 만들기 위해서, 과학자들은 전기가 이들을 통해 어떻게 이동하는지, 빛을 어떻게 흡수하는지, 그리고 내부 결정 구조가 어떻게 배열되어 있는지 정확히 이해해야 합니다. 과제는 이 재료들이 매우 복잡하다는 점에 있는데, 그 성능은 이들을 구성하는 특정 원자와 재료의 얇은 층이 어떻게 제조되는지에 크게 좌우됩니다.

슬로베니아와 북마케도니아의 대학 연구진은 이 비스무트 기반 재료의 두 가지 특정 버전을 조사하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 비스무트와 요오드 원자가 결정 내에서 구조적 간격 역할을 하는 작은 유기 분자인 메틸암모늄(methylammonium) 또는 포름아미디늄(formamidinium)과 짝을 이루는 화합물에 집중했습니다. 연구진은 실험실에서 이 재료들을 제작했는데, 먼저 고체 결정으로 성장시킨 다음 이를 유리 슬라이드 위에 매우 얇고 균일한 박막 형태로 만들었습니다. 이 과정은 태양 전지로 만들기 위해 필수적인 공정입니다. 이 박막들을 세밀하게 조사함으로써, 연구팀은 전자를 자유롭게 하는 데 필요한 에너지가 얼마인지와 같은 광학적 특성, 그리고 다양한 온도에서 전하가 얼마나 쉽게 이동할 수 있는지와 같은 전기적 거동을 결정하고자 했습니다.

연구팀은 먼저 자신들이 올바른 화학 구조를 성공적으로 생성했는지 확인하는 것으로 시작했습니다. X선을 시료에 튕겨서 원자의 배열을 밝혀내는 기술인 X선 회절법을 사용하여, 결정이 예상된 패턴을 형성했는지 검증했습니다. 또한 강력한 현미경으로 박막의 표면 품질을 확인했습니다. 이미지 결과, 두 종류의 박막 모두 매끄럽고 연속적이었으며 큰 틈이나 균열이 없었는데, 이는 장치가 잘 작동하는 데 매우 중요합니다. 한 가지 미묘한 차이가 나타났는데, 포ーム아미디늄 분자로 만들어진 박막이 메틸암모늄으로 만든 것보다 표면이 약간 더 규칙적이고 질서 정연해 보였다는 점입니다. 이는 유기 분자의 크기와 모양이 제조 과정 중 결정이 자리 잡는 방식에 영향을 미친다는 것을 시사합니다. 화학적 분석을 통해 비스무트와 요오드 원자의 비율이 예측된 대로 정확함을 확인하였고, 이를 통해 재료가 순수하며 원치 않는 불순물이 없음을 보장했습니다.

다음으로, 연구진은 이 박막들이 빛과 어떻게 상호작용하는지 측정했습니다. 빛이 재료에 닿으면, 그 빛이 전자를 이동시켜 전류를 운반할 수 있는 상태로 밀어 올릴 만큼 충분한 에너지를 가지고 있을 때 흡수될 수 있습니다. 연구팀은 두 재료 모두 가시광선의 청색 및 녹색 영역에서 빛을 매우 잘 흡수한다는 것을 발견했으며, 이로 인해 박막은 뚜렷한 주황색 또는 진한 붉은색을 띠게 됩니다. 흡수 데이터를 분석함으로써, 그들은 전자를 자유롭게 하는 데 필요한 최소 에너지인 에너지 갭(energy gap)을 계산했습니다. 그 결과 메틸암모늄 버전은 1.98 전자볼트(eV)의 에너지 갭을 가지며, 포름아미디늄 버전은 이보다 약간 작은 1.74 전자볼트의 갭을 가진다는 것을 알아냈습니다. 이 차이는 유의미한데, 왜냐하면 갭이 작을수록 더 넓은 범위의 햇빛을 수확할 수 있기 때문입니다. 데이터는 두 재료 모두 간접 반도체(indirect semiconductors)로 거동한다는 것을 나타냈는데, 이는 전자의 움직임에 운동량의 변화가 수반되는 특정 유형의 거동으로, 직접 반도체보다 과정이 약간 더 복잡합니다.

전기가 이 박막들을 통해 실제로 어떻게 여행하는지 이해하기 위해, 연구팀은 넓은 범위의 주파수와 온도에서 재료가 전류의 흐로를 얼마나 저항하는지 측정하는 방법인 임피던스 분광법(impedance spectroscopy)을 수행했습니다. 그들은 온도가 높아짐에 따라 재료의 저항이 감소하는 것을 관찰했는데, 이는 열이 전하 운반체를 자유롭게 하는 데 도움을 주는 반도체의 전형적인 거동입니다. 측정 결과, 전기의 이동은 매끄럽고 연속적이지 않고 오히려 "호핑(hopping, 껑충 뛰기)" 메커니즘을 통해 일어난다는 것이 밝혀졌습니다. 이 과정에서 전하는 작은 에너지 장벽을 극복하며 한 국소 지점에서 다른 지점으로 뛰어넘습니다. 연구진은 이러한 도약을 위해 필요한 에너지가 두 재료 모두 약 0.5 전자볼트임을 계산했습니다. 이 값은 일반적으로 납 기반 페로브스카이트에서 보이는 것보다 높으며, 이는 비스무트 재료가 더 안전하지만 현재로서는 전하를 더 느리게 이동시킨다는 점을 시사합니다.

이 연구는 또한 재료 내부 어디에서 저항이 발생하는지에 대한 세부 정보를 밝혀냈습니다. 전기적 신호는 박막을 구성하는 아주 작은 결정들, 즉 결정립(grains) 사이의 경계가 결정립 자체보다 더 높은 저항을 가진다는 것을 나타냈습니다. 이는 저항이 가장 적은 경로가 결정들이 만나는 계면(interfaces)에 의해 종종 차단된다는 것을 의미합니다. 더욱이, 전기적 전하의 완화, 즉 변화하는 장(field)에 얼마나 빠르게 반응하는지는 단순하고 균일한 패턴을 따르지 않았습니다. 대신, 전하는 다양한 종류의 장애물이 존재하는 복잡한 내부 환경을 나타내는 다양한 응답 시간의 분포를 보였습니다. 이러한 난관에도 불구하고, 연구진은 이 재료들이 광전자 소자에 필요한 근본적인 특성을 갖추고 있음을 확인했습니다. 그들은 비스무트 기반 박막이 아직 납 기반의 상대들과 비교했을 때 효율이 높지는 않지만, 안정성과 낮은 독성 덕분에 미래 개발의 강력한 후보가 될 수 있다고 결론지었습니다. 특히 과학자들이 전기가 더 자유롭게 흐를 수 있도록 결정 사이의 연결을 개선할 방법을 찾을 수 있다면 더욱 그러할 것입니다.