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 밝혔다.

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 페로브스카이트 층 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. 또한 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.

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 밝혔다.

이번 연구는 손중건 박사, 구하은 석·박사 통합과정 연구원, 이우진 박사가 제 1저자로 참여했다.

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

(논문명: Deprotonated self-assembled molecules as robust hole-selective layers for perovskite/organic tandem solar cells and photocathodes)