(울산=뉴스1) 조민주 기자 = 울산과학기술원(UNIST)은 김봉수 화학과 교수팀이 김진영·김동석 탄소중립대학원 교수팀과 함께 페로브스카이트 유기 탠덤 태양전지의 성능을 끌어올릴 수 있는 새로운 정공수송층을 개발했다고 15일 밝혔다.

탠덤 태양전지는 서로 다른 파장 대역의 태양광을 흡수하는 두 종류의 전지를 위아래로 쌓아 햇빛을 보다 넓게 활용하는 구조의 전지다.

이 중 페로브스카이트와 유기물 조합은 전지를 얇고 유연하게 제작할 수 있어 웨어러블 기기나 건물 창호용 전원 등 차세대 전력원으로 주목받고 있다.

연구팀은 자가조립 분자 2종을 혼합해 만든 정공수송층을 개발해 이 전지에서 2.216V의 개방전압과 24.73%의 광전변환효율 기록했다.

개방전압은 전지가 생성한 전하가 손실 없이 전극에 도달해 형성되는 전위차로 개방전압이 높을수록 전지 효율이 높아진다. 이 수치는 페로브스카이트와 유기물 조합 탠덤 전지 중 세계 최고 수준이다.

또 65도 고온과 장시간 광조사 환경에서도 초기 효율의 80% 이상을 유지해 장기 안정성도 입증했다.

개발된 정공수송층은 페로브스카이트 광활성층과의 에너지 준위가 잘 정렬되도록 설계돼 정공만을 선택적으로 추출하고 전자는 차단해 전하 재결합을 억제한다.

태양전지는 빛을 받아 분리 생성된 음전하 입자인 전자(-)와 양전하 입자인 정공(+)이 전극까지 도달해야 전류를 낼 수 있는데 에너지 준위가 어긋나면 전하가 추출되지 못하고 중간에서 재결합해 소실된다.

이 정공수송층은 전하이동을 방해하는 계면 결함을 줄이면서 결정 구조를 더 안정적이고 균일하게 유지하는 역할도 한다.

정공수송층을 이루는 36ICzC4PA와 36MeOCzC4PA 자가조립 분자의 치환기가 페로브스카이트 내 금속이온과 강한 화학 결합을 형성하기 때문이다.

또 자가조립 분자의 스스로 기판 위에 얇고 고르게 깔리는 특성 덕분에 제조 공정이 간단해지고, 넓은 면적에도 쉽게 적용할 수 있어 상용화에도 유리하다.

김봉수 교수는 "전지의 정공 추출, 계면 안정화, 구조 내구성까지 개선한 자가조립 정공수송층을 개발해 탠덤 전지의 성능을 획기적으로 개선할 수 있었다"며 "얇고 유연하면서도 고효율을 유지하는 차세대 태양전지 상용화에 한 걸음 더 다가선 결과이다"고 말했다.

연구에는 손중건 UNIST 연구원, 샤히드 아민(Shahid Ameen) 박사가 제1저자로 참여했다.

연구 결과는 지난 4월 8일 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈'(Advanced Energy Materials) 온라인판에 실렸다. 연구 수행은 과학정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

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