태양전지의 효율과 수명을 함께 높이는 계면 제어 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 탄소중립대학원 김진영·김동석 교수와 에너지화학공학과 신승재 교수 연구팀은 자가조립 분자층(Self-Assembled Monolayer, SAM)의 화학 상태를 제어해 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지의 성능과 안정성을 끌어올리는 기술을 개발했다고 밝혔다.

페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류의 태양전지를 수직으로 쌓아 태양광 변환 효율을 높이는 차세대 소자다. 그러나 투명 전극과 페로브스카이트 층 사이 계면이 불안정할 경우 전하 이동이 막히고 수명이 단축되는 한계가 있었다.

연구팀은 이 계면에 형성되는 자가 조립 물질인 2PACz에 탄산칼륨(K2CO3)을 처리해 분자의 인산기에서 수소 이온을 부분적으로 제거하는 방법을 제시했다. 이렇게 음전하를 띠게 된 탈양성자화된 2PACz(2PACz-K)는 ITO 투명전극과 더 강하게 결합해 제작 과정에서 용매에 씻겨 나가지 않고 균일한 계면을 형성한다.

이 기술을 적용한 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지는 최대 25.1%의 전력 변환 효율과 2.23V의 개방 전압을 기록했다. 최대출력점 추적(MPPT) 조건에서 2밤 8시간 연속 구동 후에도 초기 성능의 80% 이상을 유지했다.

연구팀은 이 기술을 태양광으로 물을 분해해 수소를 생산하는 광전극 장치에도 적용했다. 탠덤 광전극은 외부 전압 없이 물 분해 반응을 유도할 수 있는 광전압을 구현했으며 태양에너지를 수소로 전환하는 효율은 최대 7.7%에 달했다.

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 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 손중건 박사, 구하은 석·박사 통합과정 연구원, 이우진 박사가 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 에너지화학 분야 권위지인 '에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 2월 5일 게재됐다. 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)이 연구를 지원했다.