태양광 발전·그린수소 생산 동시에 노린다…UNIST, 계면 제어 기술 개발[과학을읽다]

페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지 효율 25.1% 달성…태양광-수소 전환 효율 7.7%

태양광 발전 효율을 높이면서 동시에 태양에너지를 활용한 수소 생산에도 적용할 수 있는 차세대 태양에너지 계면 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 김진영 탄소중립대학원 교수, 김동석 탄소중립대학원 교수, 신승재 에너지화학공학과 교수 연구팀이 자가조립 분자층(Self-Assembled Monolayer, SAM)의 화학 상태를 제어해 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 향상시키는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

탈양성자화된 자가조립 단분자막(SAM)이 적용된 페로브스카이트 유기 탠덤 태양전지와 광음극 소자 성능. 연구팀 제공

페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류의 태양전지를 위아래로 쌓아 태양광을 보다 효율적으로 전기로 변환하는 차세대 태양전지다. 그러나 탠덤 구조에서는 투명전극과 페로브스카이트 층 사이 계면이 불안정할 경우 전하 이동이 방해되고 장기 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이 계면에 형성되는 자가조립 분자층 물질인 '투팩지(2PACz)'의 화학 상태를 제어하는 방법을 제시했다. 탄산칼륨(K₂CO₃)을 이용해 2PACz 분자의 인산기에서 수소 이온이 부분적으로 떨어져 나가도록 유도하면 분자가 음전하를 띠게 되고, 이 상태에서 ITO 투명전극과 더 강하게 결합하게 된다.

이 과정에서 형성된 탈양성자화된 2PACz(2PACz-K)는 전극 표면에 더욱 안정적으로 부착돼 태양전지 제작 과정에서 용매에 의해 씻겨 나가지 않고 균일한 계면을 형성했다.

이 기술을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 더 높은 전압과 향상된 전하 전달 특성을 보였다. 이를 기반으로 제작된 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지는 최대 25.1%의 전력 변환 효율과 2.23V의 개방전압을 기록했다. 또 최대출력점 추적(MPPT) 조건에서 220시간 연속 구동 후에도 초기 성능의 80% 이상을 유지하는 안정성을 보였다.

연구진사진. 좌측부터 김진영 교수, 신승재 교수, 김동석 교수, 손중건 박사, 구하은 연구원, 이우진 박사. UNIST 제공

연구팀은 이 계면 기술을 태양광을 이용해 물을 분해하고 수소를 생산하는 광전극 장치에도 적용했다. 해당 기술을 적용한 탠덤 광전극은 외부 전압 없이도 물 분해 반응을 유도할 수 있는 높은 광전압을 나타냈으며, 태양에너지를 수소로 전환하는 효율은 최대 7.7%를 기록했다.

김진영 UNIST 탄소중립대학원 교수는 "분자 수준에서 계면의 화학 상태를 제어하는 전략을 통해 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 개선했다"며 "태양광 발전과 그린수소 생산을 결합한 차세대 에너지 시스템 개발에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 손중건 박사, 구하은 UNIST 석·박사통합과정 연구원, 이우진 박사가 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 에너지화학 분야 학술지 Energy & Environmental Science에 지난달 5일 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr