태양전지 중간층 추가해 내구성·효율을 높였다

UNIST, 페로브스카이트 기술 개발
활성층과 전극 사이 새 화합물 추가

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장성연·류정기·장지욱 교수팀이 금속이온 확산에 대한 화학적 장벽 역할을 하는 페릴렌 디이미드 분자를 활용해 안정성이 향상된 광전기화학 장치를 만들었다. UNIST 제공

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장성연·류정기·장지욱 교수팀이 페로브스카이트 태양전지의 내구성과 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 이 태양전지는 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극 중간층을 삽입한 것이 특징이다.

9일 연구진에 따르면, 이 태양전지는 23.21%에 달하는 높은 광전변환효율을 기록했다. 또 동시에 60도에서 750시간 동안 작동했을 때도 초기 대비 81% 이상 효율을 유지해냈다.

장성연 교수는 "이 태양전지를 광전극으로 활용해 고효율의 그린 수소를 생산할 수 있는 화학 부품의 새로운 구조를 제시했다"고 말했다.

금속 할로겐화물 페로브스카이트는 빛 에너지를 받아 전자를 방출하는 '광전자' 특성이 우수해 태양 에너지 응용 분야에서 유망한 재료로 꼽힌다. 특히 혼합 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트(TLHP)는 가시광선에서 근적외선 영역까지 태양광 흡수가 가능해 고효율 태양전지 개발에 중요한 소재다. 하지만 TLHP는 납 기반의 페로브스카이트 보다 대기 중 안정성이 낮아 소재의 장점을 활용하기 어려웠다.

연구진은 TLHP를 화학적으로 보호할 수 있는 음극 중간층으로 새로운 화합물을 추가했다. 이 화합물 '페릴렌 디이미드'는 빛을 받아 전력을 생산하는 광활성층인 페로브스카이트의 상부층에 삽입된다. 연구진은 "이 물질이 효율적으로 전자를 이동시킬 뿐 아니라 화학적 장벽 역할 또한 수행해 안정성을 대폭 향상시켰다"고 설명했다.

뿐만아니라 새 기술을 수소 생산을 위한 광전극으로도 활용했다. 외부 전력이 없는 상태에서 약 33㎃/㎠의 기록적인 태양광 수소 생산 속도를 보였다. 연구진은 이러한 수치가 미국 에너지부에서 목표로 하는 것보다 높다고 말했다.

한편, 연구진은 고려대 곽상규 교수팀과 함께 이 기술을 개발했으며, 그 결과를 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 공개했다.
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