김봉수 울산과학기술원(UNIST) 화학과 교수팀이 탄소중립대학원 김진영·김동석 교수팀과 함께 페로브스카이트 유기 탠덤 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 정공수송층을 개발했다고 15일 밝혔다.

탠덤 태양전지는 서로 다른 파장 대역의 태양광을 흡수하는 두 종류의 전지를 상하로 쌓아 햇빛을 더 넓게 활용하는 구조다.

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

연구팀은 자가 조립 분자 2종을 혼합해 개발한 정공수송층을 통해 2.216V의 개방 전압과 24.73%의 광전변환효율을 기록했다. 개방 전압은 전지가 생성한 전하가 손실 없이 전극에 도달해 형성되는 전위차로, 높을수록 전지 효율이 상승한다. 이는 페로브스카이트와 유기물 조합 탠덤 전지 중 세계 최고 수준이다.

또 65℃ 고온과 장시간 광조사 환경에서도 초기 효율의 80% 이상을 유지해 장기 안정성도 확인됐다.

이번에 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 구성하는 36ICzC4PA와 36MeOCzC4PA 자가 조립 분자의 치환기가 페로브스카이트 내 금속이온과 강한 화학 결합을 형성하기 때문이다.

또 자가 조립 분자가 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 자가 조립 정공수송층을 개발해 탠덤 전지의 성능을 획기적으로 개선할 수 있었다"며 "얇고 유연하면서도 고효율을 유지하는 차세대 태양전지 상용화에 한 걸음 더 다가선 결과"라고 말했다.

이번 연구는 UNIST 손중건 연구원, 샤히드 아민 박사가 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 지난 4월 8일 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈' 온라인판에 실렸다. 연구는 과학정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.