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• UNIST, 페로브스카이트–유기 탠덤 태양전지 계면 제어 기술 개발

  송고일 : 2026-04-07
  
  

  UNIST는 탠덤 태양전지의 성능과 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 6일 밝혔다./UNIST 제공

  [투데이에너지 김원빈 기자] UNIST 탄소중립대학원 김진영·김동석 교수와 에너지화학공학과 신승재 교수 연구팀은 자가조립 분자층(SAM)의 화학 상태를 제어해 탠덤 태양전지의 성능과 수명을 향상시키는 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

  특히 이번 연구는 페로브스카이트–유기 탠덤 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 개선할 수 있는 계면 제어 기술이다. 이는 태양전지뿐 아니라 태양에너지를 활용한 수소 생산 광전극에도 적용 가능한 차세대 태양에너지 기술로 주목된다.

  페로브스카이트–유기 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류의 태양전지를 적층해 변환 효율을 높이는 구조다. 그러나 투명전극과 페로브스카이트 층 사이 계면이 불안정할 경우 전하 이동이 저하되고 장기 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.

  연구팀은 계면에 형성되는 자가조립 분자인 2PACz의 화학 상태를 조절하는 방식으로 문제를 해결했다. 탄산칼륨(K2CO3)을 활용해 2PACz 분자의 인산기에서 수소 이온을 일부 제거하는 탈양성자화를 유도하면, 분자가 음전하를 띠며 ITO 투명전극과의 결합력이 강화된다. 이로써 분자가 전극 표면에 안정적으로 부착되고, 공정 중 용매에 의한 손실 없이 균일한 계면 형성이 가능해진다.

  해당 기술을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 높은 전압과 개선된 전하 전달 특성을 나타냈다. 이를 기반으로 제작된 탠덤 태양전지는 최대 25.1%의 전력 변환 효율과 2.23V의 개방전압을 기록했다. 또한 최대출력점 추적(MPPT) 조건에서 220시간 연속 구동 이후에도 초기 성능의 80% 이상을 유지하며 안정성을 입증했다.

  연구팀은 해당 계면 제어 기술을 태양광 기반 수소 생산 광전극에도 적용했다. 그 결과 외부 전압 없이 물 분해 반응을 유도할 수 있는 수준의 광전압을 확보했으며, 태양에너지를 수소로 전환하는 효율은 최대 7.7%에 달했다.

  김진영 교수는 “분자 수준의 계면 화학 제어를 통해 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 개선할 수 있었다”며 “향후 태양광 발전과 그린수소 생산을 결합한 에너지 시스템으로의 확장이 기대된다”고 말했다.

  이번 연구는 손중건 박사, 구하은 연구원, 이우진 박사가 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야 학술지 『Energy & Environmental Science』에 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

  ■용어설명

  페로브스카이트 태양전지=고효율 차세대 태양전지 소재 기반 기술

  탠덤 태양전지=서로 다른 셀을 적층해 효율을 높인 구조

  자가조립 분자층(SAM)=표면에 분자가 스스로 배열된 초박막 층

  ITO 전극=투명하면서 전도성을 가진 산화물 전극

  개방전압(Voc)=태양전지가 생성 가능한 최대 전압

  MPPT=태양전지의 최대 출력 상태를 유지하는 운전 방식

  출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)