태양광-수소 동시 생산 기술 등장… 계면 제어로 효율·안정성 동시 개선
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UNIST 연구진이 태양광 전기 생산과 그린수소 생산을 동시에 겨냥한 계면 제어 기술을 개발했다. 태양전지 효율과 수명을 동시에 끌어올리면서 태양에너지 기반 수소 생산까지 확장 가능한 기술로 평가된다.
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.
이번 연구는 페로브스카이트–유기 탠덤 태양전지 구조에서 발생하는 계면 불안정 문제를 해결하는 데 초점을 맞췄다. 기존에는 투명전극과 페로브스카이트 층 사이 계면이 불안정해 전하 이동이 저해되고 장기 안정성이 떨어지는 한계가 있었다.
UNIST 제공
연구진은 자가조립 분자층(SAM)의 화학 상태를 제어하는 방식으로 문제를 풀었다. 2PACz 분자의 인산기에서 수소 이온을 제거하는 탈양성자화 과정을 통해 분자가 음전하를 띠도록 만들고, 이를 통해 ITO 투명전극과의 결합력을 높였다. 이로 인해 계면이 보다 균일하고 견고하게 형성되며, 공정 중 용매에 의해 손상되는 문제를 억제했다.
이 기술을 적용한 탠덤 태양전지는 최대 25.1%의 전력 변환 효율과 2.23V의 개방전압을 기록했다. 또한 최대출력점 추적 조건에서 220시간 이상 구동 후에도 초기 성능의 80% 이상을 유지하며 안정성을 확보했다.
연구진은 동일 기술을 광전극 기반 수소 생산 장치에도 적용했다. 별도의 외부 전압 없이 물 분해 반응을 유도할 수 있는 광전압을 확보했으며, 태양에너지를 수소로 전환하는 효율은 7.7%에 달했다. 태양광 발전과 수소 생산을 하나의 시스템으로 통합할 수 있는 가능성을 제시한 셈이다.
연구진은 분자 수준에서 계면의 화학 상태를 정밀하게 제어함으로써 태양전지 성능과 내구성을 동시에 개선했다고 설명했다. 태양광 발전과 그린수소 생산을 결합한 차세대 에너지 시스템 구축에 활용될 수 있는 기반 기술로 평가된다.
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