태양광 전기·수소 생산 동시 겨냥 계면 기술 개발
효율성·안정성 동시에 높여
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.
UNIST는 탄소중립대학원 김진영·김동석 교수와 에너지화학공학과 신승재 교수 연구팀이 자가조립 분자층(SAM)의 화학 상태를 제어해 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지의 성능과 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.
페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류의 태양전지를 위아래로 쌓아 태양광을 더 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 더 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.
이다예기자 ties@ksilbo.co.kr