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빛을 나눠 받아 더 많은 전기를 만드는 탠덤 태양전지의 효율과 안정성을 모두 잡은 소재를 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 개발했다.

UNIST 화학과 김봉수 교수팀과 탄소중립대학원 김진영·김동석 교수팀은 페로브스카이트 유기 탠덤 태양전지의 성능을 끌어올릴 수 있는 새로운 정공수송층을 개발했다고 15일 밝혔다.

탠덤 태양전지는 서로 다른 파장 대역의 태양광을 흡수하는 두 종류의 전지를 위아래로 쌓아 햇빛을 보다 넓게 활용하는 구조다.

이 중 페로브스카이트와 유기물 조합은 전지를 얇고 유연하게 제작할 수 있어 웨어러블 기기나 건물 창호용 전원 등의 전력원으로 주목받고 있다.

연구진은 자가조립 분자 2종을 혼합해 만든 정공수송층으로 2.216V의 개방전압과 24.73%의 광전변환효율(태양광 에너지가 전기 에너지로 변환되는 비율)을 기록했다.

개방전압은 전지가 생성한 전하가 손실 없이 전극에 도달해 형성되는 전위차로, 개방전압이 높을수록 전지 효율이 높아진다.

이 수치는 페로브스카이트와 유기물 조합 탠덤 전지 중 세계 최고 수준이라고 연구진은 설명했다.

또 65도 고온과 장시간 광조사 환경에서도 초기 효율의 80% 이상을 유지해 장기 안정성을 입증했다.

연구팀이 개발한 정공수송층은 페로브스카이트 광활성층과의 에너지 준위가 잘 정렬되도록 설계돼 정공만을 선택적으로 추출하고, 전자는 차단해 전하 재결합을 억제한다.

태양전지는 빛을 받아 분리 생성된 음전하 입자인 전자(-)와 양전하 입자인 정공(+)이 전극까지 도달해야 전류를 낼 수 있는데, 에너지 준위가 어긋나면 전하가 추출되지 못하고 중간에서 재결합해 소실된다.

이 정공수송층은 전하 이동을 방해하는 계면 결합을 줄이면서 결정 구조를 더 안정적이고 균일하게 유지하는 역할도 한다.

김봉수 교수는 "전지의 정공 추출, 계면 안정화, 구조 내구성까지 개선한 자가조립 정공수송층으로 탠덤 전지의 성능을 획기적으로 개선할 수 있었다"며 "얇고 유연하면서도 고효율을 유지하는 차세대 태양전지 상용화에 한 걸음 더 다가선 결과"라고 말했다.

이런 연구 결과는 지난 4월 8일 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스'(Advanced Energy Materials) 온라인판에 실렸다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받았다.

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