빛을 나눠 받아 더 많은 전기를 만드는 탠덤 태양전지의 효율과 안정성을 높이는 소재가 개발됐다. 태양광 발전설비의 기술력 고도화가 이뤄지고 있다는 평가다.
15일 에너지업계에 따르면, 울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수팀과 탄소중립대학원 김진영·김동석 교수팀으로 구성된 연구진은 페로브스카이트 유기 탠덤 태양전지의 성능을 끌어올릴 수 있는 새로운 정공수송층을 개발했다.
탠덤 태양전지는 서로 다른 파장 대역의 태양광을 흡수하는 두 종류의 전지를 위아래로 쌓아 햇빛을 보다 넓게 활용하는 구조다. 이 중 페로브스카이트와 유기물 조합은 전지를 얇고 유연하게 제작할 수 있어 웨어러블 기기나 건물 창호용 전원 등의 전력원으로 주목받고 있다.
연구진은 자가조립 분자 2종을 혼합해 만든 정공수송층으로 2.216V의 개방전압과 24.73%의 광전변환효율(태양광 에너지가 전기 에너지로 변환되는 비율)을 기록했다. 개방전압은 전지가 생성한 전하가 손실 없이 전극에 도달해 형성되는 전위차로, 개방전압이 높을수록 전지 효율이 높아진다.
이러한 수치는 페로브스카이트와 유기물 조합 탠덤 전지 중 세계 최고 수준이라고 연구진은 설명했다. 또, 65도 고온과 장시간 광조사 환경에서도 초기 효율의 80% 이상을 유지해 장기 안정성을 입증했다.
연구팀이 개발한 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 전하 이동을 방해하는 계면 결합을 줄이면서 결정 구조를 더 안정적이고 균일하게 유지하는 역할도 한다.
김봉수 교수는 “전지의 정공 추출, 계면 안정화, 구조 내구성까지 개선한 자가조립 정공수송층으로 탠덤 전지의 성능을 획기적으로 개선할 수 있었다”며 “얇고 유연하면서도 고효율을 유지하는 차세대 태양전지 상용화에 한 걸음 더 다가선 결과”라고 말했다.
한편, 이번 연구 결과는 지난달 8일 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’(Advanced Energy Materials) 온라인판에 실렸다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받았다.
