스프레이 열분해법으로 제조한 고순도 MAPbI₃ 페로브스카이트 입자: 박막 태양전지 응용

초록

메틸암모늄 납 요오드화물(MAPbI₃) 페로브스카이트 입자 제조 세 가지 확장 가능 경로 비교 연구 제시: (1) 반용매 침전, (2) 건식 혼합 밀링, (3) 스프레이 열분해. 스프레이 열분해는 전구체 용액을 핫월 반응기로 분무해 불순물 없는 결정질 분말, 좁은 크기 분포 생성, 중공 태양전지 제작 시 균일 페로브스카이트 박막 형성(PCE = 2.05%). 스프레이 열분해가 대규모 소자 제작에 적합한 고품질 페로브스카이트 페이스트 생성 최적 방법임 입증.

배경

유기금속 할라이드 페로브스카이트(특히 메틸암모늄(MA), 포르마미디늄(FA), 세슘(Cs) 함유)는 태양전지 연구 최전선에 있으며 트랜지스터, LED, 방사선 센서로도 탐구된다. 대부분 연구 박막 증착 집중이나, 나노결정 페로브스카이트 입자는 양자 구속 효과와 새로운 소자 구조 제공. 문헌은 전무기 Cs 기반 나노결정 지배적이나, MA 기반 입자는 특히 확장 생산 맥락에서 미탐구.

가설 제시

MAPbI₃ 입자 세 가지 합성 전략 제안:

1. 반용매 침전 – 페로브스카이트 전구체 용액을 톨루엔에 방울방울 첨가.
2. 건식 혼합 밀링 – MAI와 PbI₂ 분말 자기 교반기 200°C에서 기계적 혼합.
3. 스프레이 열분해 – 0.2 mm 노즐로 전구체 용액 분무, 2단계 스테인리스 히터(275°C/175°C)로 전달. 이 방법은 용매 증발과 현장 화학 전환 활용해 결정질 입자 형성.

그림 1은 세 경로 개략도.

가설 검증

페로브스카이트 전구체(MAI = 158 mg, PbI₂ = 420 mg) 1 mL DMSO에 용해. 1 mL 용액 각 방법 처리, 분말 150°C 어닐링(반용매) 또는 직접 수집(스프레이) 후 특성 분석.

1. 반용매 법

빠른 침전으로 2분 후 황색 분말; 20분 지속 교반 콜로이드 분산 생성. XRD(Bruker D5005) 페로브스카이트 형성 확인, 미량 불순물 피크 존재.

2. 밀링 법

MAI/PbI₂ 질량비 1:1, 1:2 테스트 200°C. XRD 주요 페로브스카이트 피크 보이나 잔여 PbI₂ 신호로 불완전 전환 지시.

3. 스프레이 법

2 psig 공기 압력 사용, 방울 10 cm × 30 cm 히터 진입. 1단계(275°C) 용매 증발, 2단계 175°C 분해 방지, 고결정성 불순물 프리 분말 생성.

그림 2 XRD 패턴, 그림 3 SEM 이미지 미크론 크기 불규칙 입자 드러내며, 스프레이 유래 분말 가장 좁은 크기 분포(그림 4).

가설 함의

페로브스카이트 페이스트 각 분말 20 mg을 10 μL 에탄올 분산, 블레이드 코팅으로 중공 TiO₂층 위 FTO 유리에 도포. SEM(그림 6) 스프레이 유래 페이스트만 연속 결함 프리 박막 형성. UV-Vis 스펙트럼(그림 7) 스프레이 유래 박막 ~750 nm 흡수 에지 확인.

기본 MAPbI₃ 태양전지 제작: TiO₂ / 페로브스카이트 / Spiro-OMeTAD / Au. 소자 PCE 2.05%(Voc < 0.4 V, Jsc = 6.3 mA cm⁻², FF = 0.8) 보임, 박막 내 약한 입자 결합 유발 계면 전하 재결합으로 제한. 개선된 바인더로 성능 향상 가능.

결론

스프레이 열분해가 결정질, 불순물 프리 MAPbI₃ 입자, 좁은 크기 분포 일관 생성, 균일 페로브스카이트 박막과 기능적 태양전지 제작 가능. 이 확장 가능 경로 대규모 페로브스카이트 소자 제조에 유망.