FABr 과잉 첨가가 FAPbBr₃ 박막의 밴드갭·결함·입자구조에 미치는 종합적 영향

초록

FABr를 5 %~10 % 과잉 첨가한 전구 용액으로 만든 FAPbBr₃ 박막은 브롬화물 결함이 억제되어 광발광이 청색 이동하고, 결함‑보조 재결합이 감소한다. 과잉량이 증가할수록 입자 크기는 작아지지만 구조적 무질서는 커진다. 5 % 과잉 시 전력 변환 효율 6.26 %와 평균 가시 투과율 61.6 %를 동시에 달성한다.

상세 분석

본 연구는 FABr 과잉 스토이키오메트리를 전구 용액에 도입함으로써 FAPbBr₃ 박막의 광학·전기적 특성과 미세구조가 어떻게 변하는지를 체계적으로 규명한다. 흡수 스펙트럼 분석에서 Elliott 모델을 적용한 결과, FABr 함량이 0 %→5 %→10 %로 증가함에 따라 전자밴드갭이 2.368 eV에서 2.406 eV까지 약 40 meV 청색 이동한다. 이는 브롬 결함이 FABr에 의해 채워지면서 격자 팽창이 억제되고, 전자구조가 약간 변형된 결과로 해석된다. 흥분자 결합에너지(Eb)는 40 ± 5 meV로 거의 일정하게 유지돼, 전자·양공의 유효 질량과 유전체 스크리닝이 크게 변하지 않음을 시사한다. 그러나 10 % 과잉 시 σX와 σC 같은 가우시안 폭이 현저히 커져, 조성 불균일과 격자 왜곡에 따른 비정질성이 증가했음을 보여준다.

광발광 측정에서는 저온(12 K) PL이 FABr 과잉에 따라 청색 이동하고, 스토이키오메트리 정상 시(0 %)는 저에너지 측면에 넓은 발광 밴드가 나타나 브롬·FA 결함에 의한 DAP(공여‑수용쌍) 재결합을 의미한다. 전력 의존 PL 분석에서 I_PL ∝ I^n 형태의 지수 n이 0.70±0.18(컨트롤)에서 1.00±0.09(FABr +5 %) 및 1.14±0.02(FABr +10 %)로 상승한다. n≈1은 주된 재결합 경로가 자유 exciton이며, n<1은 결함‑보조 재결합을 나타낸다. 따라서 FABr 과잉은 브롬공핍을 효과적으로 패시베이션하여 비방사 재결합을 억제하고, 광발광 효율을 향상시킨다.

구조적 측면에서는 FE‑SEM 이미지가 FABr 과잉에 따라 평균 입자 크기가 감소함을 명확히 보여준다. 입자 크기 감소는 전하 운반 경로가 짧아져 전하 재결합 가능성을 낮출 수 있지만, 동시에 grain boundary 비율이 증가해 구조적 무질서가 커지는 트레이드오프가 존재한다. XRD 패턴은 전반적인 페로브스카이트 구조는 유지되지만, 피크 폭이 확대돼 결정립 내 응력 및 미세결함이 증가했음을 확인한다.

디바이스 성능 평가에서는 5 % FABr 과잉 시 전력 변환 효율(PCE)이 6.26 %로 최고치를 기록했으며, 평균 가시 투과율(AVT)은 61.6 %에 달한다. 이는 광흡수와 투과 사이의 최적 균형을 의미한다. 10 % 과잉은 광학적 밴드갭이 더 크게 변하고 입자 크기가 과도하게 작아져 전하 이동도가 저하돼 PCE가 감소한다. 따라서 FABr 과잉량을 5 % 수준으로 최적화하는 것이 전자 품질 향상과 구조적 안정성 사이의 최적점임을 제시한다.

본 연구는 전구 스토이키오메트리 조절이 넓은 밴드갭 페로브스카이트의 결함 패시베이션과 광학적 튜닝을 동시에 달성할 수 있는 간단하면서도 효과적인 전략임을 입증한다. 특히, 반투명 태양전지와 탑셀용 고밴드갭 흡수층 설계에 있어 FABr 과잉을 통한 미세구조 및 전자특성 최적화가 실용적 가치를 제공한다.