페로브 스카이트 재료를 이용한 광전지 제조 시스템에서 필요한 것

페로브스카이트 계열의 재료는 광전지 분야에서 실리콘 재료의 대체제로 연구되고 있다.

실리콘 재료는 현재 가장 많이 활용되고 있는 물질이지만, 환경 영향, 제조 비용 및 확장성에 대한 한계 등으로 인해 여러 대체 가능한 물질이 연구되고 있으며, 그 중 가장 가능성이 높게 평가되는 것 중에 하나가 금속 할라이드 페로브스카이트 같은 물질이다.

페로브 스카이트는 탁월한 광 흡수 및 전하 수송 특성으로 인해 태양 전지 연구 및 개발에 매우 매력적인 소재가 되었다. 그 성능 효율은 2012년 9%에서 2022년 25%, 페로브스카이트-실리콘 탠덤 전지 31% 이상으로 발전 하였다. 이것은 역사상 가장 빠르게 발전하는 태양광 기술이다.

페로브스카이트의 기본 구조는 전반적으로 유사하다. 각 레이어에 대한 공통적으로 사용되는 재료가 있지만, 광범위한 부분의 대체 물질 연구는 지속적으로 필요한 상태이다.

각 레이어에 필요한 것은 여러 가지가 있으나 간략하게 몇가지를 살펴보면 다음과 같다.

1. 필름 품질은 각 레이어에 매우 중요하며, 가장 기본이 되는 인듐 주석 산화물(ITO) 투명 전극은 펄스 DC 파워를 이용한 페이싱 타겟 스퍼터를 적용하는 것이 좋다. 스퍼터링은 적절한 증착 후 처리를 통해 광활성 페로브스카이트 필름을 개발하는 데 사용할 수 있어 필름 품질을 보다 복잡하게 제어하고 재현성을 높일 수 있다. 낮은 온도에서 반응성을 허용하여 필름 손상을 줄이는 것이 관건이다.

2. 열 증착은 전자 수송, 페로브스카이트, 정공 수송 및 전극 접촉층에 사용될 수 있다. 또한 시스템은 접촉 레이어가 먼저 증착되고 투명 투과 레이어가 그 위에 증착되는 '상향식' 접근 방식을 수용할 수도 있다.

3. 페로브 스카이트 제조는 외부의 노출 즉 일반 대기 노출이 없는 상태에서 공정이 이루어져야 한다. 층 증착, 반응 공정, 스핀/딥 코팅, 어닐링, 특성화, 심지어 캡슐화까지 연결된 진공 및 글로브박스 모듈을 사용하여 제어된 환경 내에서 공정이 이루어 질 수 있도록 구성되어야 한다. 

작업에 화학 전구체가 있는 상태에서 황화납을 증착하는 것과 같은 반응 공정을 사용해야 하는 경우 시스템의 질량 흐름 컨트롤러를 통해 정확하고 정밀하게 반응성 가스를 제어하여 제조의 특성을 일정하게 반복할 수 있다.

4. 마스킹 및 기판 가열을 통한 어닐링, 진공을 깨지 않고 마스크 변경을 해야 하며, 어닐링 공정 역시 진공 상태에서 한 번에 이루어져야 한다.

5. 오염제어가 매우 중요하다. 대부분의 재료가 열증발을 이용하기 때문에 상대적인 증기압의 차이는 낮은 온도의 증기압을 갖고 있는 소스에 영향을 주게 된다. 이것은 원하지 않는 코팅을 발생시키기 때문에 오염 물질에 대한 제어는 매우 중요한 이슈가 된다. 소스, QCM 차폐 및 챔버 벽을 냉각하는 기술이 필요하다.

6. 수분조절을 해야 한다. 그러나, 진공 시스템에서 가장 어려운 것이 수분 조절이다. 페로브스카이트 재료 역시 수분에 취약하다. 수분을 제어하기 위한 가장 적합한 펌프는 역시나 크라이오 펌프이다. 다음으로 수분을 제거하기 위해서는 진공의 영역을 최대한 낮추어야 하며, 챔버 베이킹과 같은 것들이 필요하다.