태양빛 한 번에 두 번 쓴다… UNIST, 전기·그린수소 동시 겨냥 계면기술 개발

UNIST, 자가조립 분자층의 화학 상태 제어… 태양전지와 광전극의 성능 향상
탠덤 태양전지 효율 25.10%·태양광-수소 생산 효율 7.7% 달성… EES 게재

페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 높일 수 있는 새로운 계면 제어 기술이 개발됐다.

태양전지뿐 아니라 태양에너지를 이용해 수소를 생산하는 광전극 장치에도 적용할 수 있는 차세대 태양에너지 활용 기술이다.

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

연구진,(좌측부터) 김진영교수, 신승재 교수, 김동석 교수, 손중건 박사, 구하은 연구원, 이우진 박사. UNIST 제공

페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류의 태양전지를 위아래로 쌓아 태양광을 보다 효율적으로 전기로 변환하는 차세대 태양전지다. 하지만 탠덤 구조에서 투명전극과 페로브스카이트층 사이의 계면이 불안정하면 전하 이동이 방해되고 장기 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이 계면에 형성되는 자가조립 물질인 2PACz의 화학 상태를 조절하는 방법을 제시했다. 탄산칼륨(K2CO3)을 이용해 2PACz 분자의 인산기에서 수소 이온이 부분적으로 떨어져 나가도록 유도(탈양성자화)하면, 분자가 음전하를 띠면서 ITO 투명전극과 더 강하게 결합한다. 이 과정에서 형성된 탈양성자화된 2PACz(2PACz-K)는 전극 표면에 더욱 안정적으로 부착되어 태양전지 제작 과정에서 용매에 의해 씻겨 나가지 않고 균일한 계면을 형성한다.

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 높은 개방전압을 기록했다. 또 최대출력점 추적(MPPT) 조건에서 220시간 연속 구동 후에도 초기 성능의 80% 이상을 유지하는 안정성을 보였다.

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

연구그림, 탈양성자화 기술이 적용된 태양전지와 광전극 성능.

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 제1 저자로 참여했다.

연구 결과는 에너지화학분야 권위지인 에너지와 환경과학(Energy＆Environmental Science)에 2월 5일 게재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 (NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다.

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr