차세대 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 높일 수 있고, 그린수소 생산에도 적용할 수 있는 계면 제어 기술을 국내 연구진이 개발했다.

울산과학기술원(UNIST)은 탄소중립대학원 김진영, 김동석 교수, 에너지화학공학과 신승재 교수 연구팀이 자가조립 분자층(SAM·Self-Assembled Monolayer)의 화학 상태를 제어해 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지의 성능과 수명을 증가시키는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류의 태양전지를 위아래로 쌓아 태양광을 더욱 효율적으로 전기로 변환하는 차세대 태양전지다.

그러나 탠덤 구조에서 투명 전극과 페로브스카이트층 사이의 계면이 불안정하면 전하 이동이 방해되고, 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이 계면에 형성되는 자가조립 물질인 2PACz의 화학 상태를 조절하는 방법을 제시했다.

탄산칼륨을 이용해 2PACz 분자의 인산기에서 수소 이온이 부분적으로 떨어져 나가도록 유도(탈양성자화)하면, 분자가 음전하를 띠면서 투명 전극과 더 강하게 결합한다.

이 과정에서 탈양성자화된 2PACz는 전극 표면에 더욱 안정적으로 부착돼 태양전지 제작 과정에서 용매에 씻겨 나가지 않고 균일한 계면을 형성하게 된다.

이 기술을 기반으로 제작된 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지는 최대 25.1%의 전력 변환 효율과 2.23V의 높은 개방 전압을 기록했고, 220시간 연속 구동 후에도 초기 성능의 80% 이상을 유지하는 안정성을 보였다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 기술을 태양광으로 물을 분해해 수소를 생산하는 광전극 장치에도 적용했는데, 이 광전극은 외부 전압 없이도 물 분해 반응을 유도할 수 있는 높은 광전압을 나타냈다. 태양에너지를 수소로 전환하는 효율은 최대 7.7%를 기록했다.

김진영 교수는 "분자 수준에서 계면의 화학 상태를 제어하는 전략을 통해 태양전지의 성능과 안정성을 획기적으로 개선했다"며 "태양광 발전과 그린수소 생산을 통합한 차세대 에너지 시스템 개발에 활용 가능할 것"이라고 말했다.

과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구 결과는 에너지·화학 분야 학술지 '에너지와 환경과학'(Energy & Environmental Science)에 지난달 5일 게재됐다.